Unbekannte Struktur in einer Galaxie, die durch kontrastreiche Bildgebung enthüllt wurde

Als Ergebnis des Erreichens eines hohen Abbildungsdynamikbereichs hat ein Team von Astronomen in Japan zum ersten Mal eine schwache Radioemission entdeckt, die eine riesige Galaxie mit einem energiereichen Schwarzen Loch in ihrem Zentrum bedeckt. Die Radioemission wird von Gas freigesetzt, das direkt vom zentralen Schwarzen Loch erzeugt wird. Das Team erwartet zu verstehen, wie ein Schwarzes Loch mit seiner Wirtsgalaxie interagiert, indem es die gleiche Technik auf andere Quasare anwendet.

3C273, der 2,4 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt liegt, ist ein Quasar. Ein Quasar ist der Kern einer Galaxie, von der angenommen wird, dass sie in ihrem Zentrum ein massives Schwarzes Loch beherbergt, das die umgebende Materie verschluckt und dabei enorme Strahlung abgibt. Im Gegensatz zu seinem faden Namen ist 3C273 der erste jemals entdeckte Quasar, der hellste und am besten untersuchte. Es ist eine der am häufigsten mit Teleskopen beobachteten Quellen, weil es als Positionsstandard am Himmel verwendet werden kann: Mit anderen Worten, 3C273 ist ein Funkleuchtturm.

Wenn Sie den Scheinwerfer eines Autos sehen, macht es die blendende Helligkeit schwierig, die dunklere Umgebung zu sehen. Das Gleiche passiert mit Teleskopen, wenn Sie helle Objekte beobachten. Der Dynamikbereich ist der Kontrast zwischen den brillantesten und dunkelsten Tönen in einem Bild. Sie benötigen einen hohen Dynamikbereich, um sowohl die hellen als auch die dunklen Teile in einer einzigen Aufnahme eines Teleskops sichtbar zu machen. ALMA kann regelmäßig Bilddynamikbereiche von bis zu etwa 100 erreichen, aber im Handel erhältliche Digitalkameras haben typischerweise einen Dynamikbereich von mehreren Tausend. Radioteleskope sind nicht sehr gut darin, Objekte mit starkem Kontrast zu sehen.

3C273 ist seit Jahrzehnten als der berühmteste Quasar bekannt, aber das Wissen konzentrierte sich auf seine hellen zentralen Kerne, aus denen die meisten Radiowellen stammen. Über ihre Wirtsgalaxie selbst ist jedoch viel weniger bekannt, da die Kombination der schwachen und diffusen Galaxie mit dem 3C273-Kern so hohe Dynamikbereiche erforderte, um sie zu erkennen. Das Forschungsteam verwendete eine Technik namens Selbstkalibrierung, um das Austreten von Radiowellen von 3C273 in die Galaxie zu reduzieren, die 3C273 selbst verwendete, um die Auswirkungen der atmosphärischen Schwankungen der Erde auf das Teleskopsystem zu korrigieren. Sie erreichten einen Abbildungsdynamikbereich von 85000, ein ALMA-Rekord für extragalaktische Objekte.

Als Ergebnis des Erreichens eines hohen Abbildungsdynamikbereichs entdeckte das Team die schwache Radioemission, die sich über Zehntausende von Lichtjahren über die Wirtsgalaxie von 3C273 erstreckt. Radioemission um Quasare deutet typischerweise auf Synchrotronemission hin, die von hochenergetischen Ereignissen wie Ausbrüchen der Sternentstehung oder ultraschnellen Jets stammt, die vom zentralen Kern ausgehen. Auch in 3C273 existiert ein Synchrotron-Jet, der unten rechts in den Bildern zu sehen ist. Ein wesentliches Merkmal der Synchrotron-Emission ist ihre Helligkeitsänderung mit der Frequenz, aber die vom Team entdeckte schwache Radioemission hatte unabhängig von der Radiofrequenz eine konstante Helligkeit. Nach Prüfung alternativer Mechanismen stellte das Team fest, dass diese schwache und ausgedehnte Radioemission von Wasserstoffgas in der Galaxie stammte, das direkt vom 3C273-Kern mit Energie versorgt wurde. Dies ist das erste Mal, dass sich Radiowellen eines solchen Mechanismus in der Wirtsgalaxie eines Quasars über Zehntausende von Lichtjahren erstrecken. Astronomen hatten dieses Phänomen in diesem ikonischen kosmischen Leuchtturm jahrzehntelang übersehen.

Warum ist diese Entdeckung so wichtig? In der galaktischen Astronomie war es ein großes Rätsel, ob die Energie eines Quasarkerns stark genug sein kann, um der Galaxie die Fähigkeit zu nehmen, Sterne zu bilden. Die schwache Radioemission kann helfen, es zu lösen. Wasserstoffgas ist ein wesentlicher Bestandteil bei der Entstehung von Sternen, aber wenn ein so intensives Licht darauf scheint, dass das Gas zerlegt (ionisiert) wird, können keine Sterne geboren werden. Um zu untersuchen, ob dieser Prozess um Quasare herum stattfindet, haben Astronomen optisches Licht verwendet, das von ionisiertem Gas emittiert wird. Das Problem bei der Arbeit mit optischem Licht besteht darin, dass kosmischer Staub das Licht auf dem Weg zum Teleskop absorbiert, sodass es schwierig ist zu wissen, wie viel Licht das Gas abgibt.

Darüber hinaus ist der Mechanismus, der für die Abgabe von optischem Licht verantwortlich ist, komplex und zwingt Astronomen, viele Annahmen zu treffen. Die in dieser Studie entdeckten Radiowellen stammen aufgrund einfacher Prozesse aus demselben Gas und werden nicht von Staub absorbiert. Die Verwendung von Radiowellen macht die Messung von ionisiertem Gas, das vom Kern von 3C273 erzeugt wird, viel einfacher. In dieser Studie fanden die Astronomen heraus, dass mindestens 7 % des Lichts von 3C273 von Gas in der Wirtsgalaxie absorbiert wurde, wodurch ionisiertes Gas mit einer 10- bis 100-Milliarden-fachen Sonnenmasse entstand. 3C273 hatte jedoch kurz vor der Sternentstehung viel Gas, sodass es insgesamt nicht so aussah, als ob die Sternentstehung durch den Kern stark unterdrückt wurde.

„Diese Entdeckung bietet einen neuen Weg zur Untersuchung von Problemen, die zuvor mithilfe von Beobachtungen mit optischem Licht angegangen wurden“, sagt Shinya Komugi, außerordentlicher Professor an der Kogakuin-Universität und Hauptautor der in veröffentlichten Studie Das Astrophysikalische Journal. „Indem wir dieselbe Technik auf andere Quasare anwenden, erwarten wir zu verstehen, wie sich eine Galaxie durch ihre Wechselwirkung mit dem zentralen Kern entwickelt.“

Zur Verfügung gestellt vom Alma-Observatorium