Ursprung relativistischer Jets beobachtet

Im Zentrum der dreihundert Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie 3C 264 stoßen zwei Wolken aus hochenergetischen, elektrisch geladenen Teilchen aufeinander. Das zeigen jahrelange Beobachtungen der Galaxie mit dem Weltraumteleskop Hubble durch ein Forscherteam aus den USA und Italien. Es ist das erste Mal, dass Astronomen einen solchen, lange theoretisch vorhergesagten Vorgang zweifelsfrei beobachten. Stoßwellen, die durch solche Kollisionen ausgelöst werden, erzeugen demnach die energiereiche Strahlung der von Schwarzen Löchern ausgehenden Jets, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.

„Relativistische Jets aus hochenergetischem Plasma gehen von Schwarzen Löchern unterschiedlichster Masse aus“, schreiben Eileen Meyer vom Space Telescope Science Institute in Baltimore und ihre Kollegen. Die gebündelten Materiestrahlen treten sowohl bei stellaren Schwarzen Löchern, als auch bei supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien auf. Die Astronomen haben zwar inzwischen recht klare Vorstellungen davon, wie Magnetfelder einen Teil der in ein Schwarzes Loch einfallenden Materie umlenken und in einen engen Strahl bündeln. Doch woher die hohe Energie des in den Jets ausgeworfenen Plasmas stammt, ist immer noch unklar.

Vier Bilder aus den Jahren 1994, 1996, 2002 und 2014 eines Materiestrahls mit jeweils mehreren Verdichtungen, schematisch dargestellt als unterschiedlich helle Flecken auf dunklem Hintergrund.
Materiestrahl in Galaxie 3C 264

Das führende theoretische Modell basiert dabei auf dem Konzept von internen Stoßwellen. Demnach ist der Plasmastrom in den Jets ungleichmäßig, es bilden sich Verdichtungen – Knoten genannt –, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen. Stoßen solche Knoten zusammen, bilden sich Stoßwellen, die Bewegungsenergie dissipieren und dadurch elektrisch geladene Teilchen beschleunigen und Magnetfelder erzeugen. Bislang gab es aber lediglich indirekte Hinweise, die dieses Model stützten.

Das hat sich nun geändert. Hubble-Bilder des Galaxienzentrums von 3C 264 zeigen, wie sich seit 1994 zwei Knoten in dem Jet aufeinander zubewegen und seit 2014 miteinander verschmelzen. Durch die Kollision hat die Helligkeit der beiden Knoten um etwa 40 Prozent zugenommen. Meyer und ihre Kollegen berechnen daraus eine Effizienz von 0,1 Prozent für die Umwandlung der Bewegungsenergie. Das ist zwar deutlich weniger, als das theoretische Modell vorhersagt. Doch da die Kollision noch im Anfangsstadium ist, handelt es sich auch nur um ein unteres Limit. Vermutlich werden die verschmelzenden Knoten in den nächsten Jahren noch heller und damit steigt auch die Effizienz. Eine weitere, genaue Beobachtung des Ereignisses könne, so die Forscher, erstmals Informationen darüber liefern, wie viel Energie dabei jeweils in die Erzeugung von Magnetfeldern und in die Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen geht.