In ähnlicher Weise wie die Bildung eines Bündnisses zur Niederlage von Darth Vaders Todesstern gründeten Astronomen vor mehr als einem Jahrzehnt das Whole Earth Blazar Telescope-Konsortium, um die Death Ray Gun der Natur zu verstehen (auch bekannt als Und im Gegensatz zu ihrem Namen, der vor der Tür des Todes klingt). Das GASP hat sich als entscheidend erwiesen, um die Geheimnisse der Funktionsweise des „LHC“ der Natur zu lüften.
"Als die größten Beschleuniger des Universums sind Blazar-Jets wichtig zu verstehen", sagte Masaaki Hayashida, Research Fellow des Kavli-Instituts für Teilchenastrophysik und Kosmologie (KIPAC), korrespondierender Autor des kürzlich erschienenen Papiers, in dem die neuen Ergebnisse mit dem KIPAC-Astrophysiker Greg Madejski vorgestellt wurden. „Aber wie sie hergestellt und strukturiert werden, ist nicht genau bekannt. Wir versuchen immer noch, die Grundlagen zu verstehen. "
Blazare dominieren den Gammastrahlenhimmel, diskrete Flecken auf dem dunklen Hintergrund des Universums. Wenn nahegelegene Materie in das supermassereiche Schwarze Loch in der Mitte eines Blazars fällt und das Schwarze Loch „speist“, sprüht sie einen Teil dieser Energie als Teilchenstrahl zurück ins Universum.
Die Forscher hatten zuvor die Theorie aufgestellt, dass solche Strahlen durch starke Magnetfeldranken zusammengehalten werden, während das Licht des Strahls durch Partikel erzeugt wird, die sich um diese hauchdünnen Magnetfeld- „Linien“ drehen.
Bisher wurden die Details jedoch relativ wenig verstanden. Die jüngste Studie stört das vorherrschende Verständnis der Struktur des Jets und enthüllt neue Einblicke in diese mysteriösen, aber mächtigen Bestien.
"Diese Arbeit ist ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Physik dieser Jets", sagte KIPAC-Direktor Roger Blandford. "Es ist diese Art der Beobachtung, die es uns ermöglichen wird, ihre Anatomie herauszufinden."
Während eines ganzen Beobachtungsjahres konzentrierten sich die Forscher auf einen bestimmten Blazarstrahl, 3C279, der sich im Sternbild Jungfrau befindet, und überwachten ihn in vielen verschiedenen Wellenbereichen: Gammastrahlung, Röntgenstrahlung, optische Strahlung, Infrarotstrahlung und Funk. Blazare flackern kontinuierlich und Forscher erwarteten kontinuierliche Änderungen in allen Wellenbereichen. Mitte des Jahres beobachteten die Forscher jedoch eine spektakuläre Veränderung der optischen Emission und der Gammastrahlenemission des Jets: Ein 20-tägiges Aufflackern der Gammastrahlen ging mit einer dramatischen Veränderung des optischen Lichts des Jets einher.
Obwohl das meiste optische Licht unpolarisiert ist - bestehend aus Licht mit einer gleichen Mischung aller Polarisationen -, kann die extreme Biegung energetischer Teilchen um eine Magnetfeldlinie Licht polarisieren. Während der 20-tägigen Gammastrahlenfackel änderte das optische Licht des Strahls seine Polarisation. Diese zeitliche Verbindung zwischen Änderungen des Gammastrahlenlichts und Änderungen der optischen Polarisation legt nahe, dass Licht in beiden Wellenbändern im selben Teil des Strahls erzeugt wird; Während dieser 20 Tage änderte sich etwas in der lokalen Umgebung, wodurch sowohl das optische als auch das Gammastrahlenlicht variierten.
„Wir haben eine ziemlich gute Vorstellung davon, wo im Strahl optisches Licht erzeugt wird. Jetzt, da wir wissen, dass Gammastrahlen und optisches Licht am selben Ort erzeugt werden, können wir zum ersten Mal feststellen, woher die Gammastrahlen kommen “, sagte Hayashida.
Dieses Wissen hat weitreichende Auswirkungen darauf, wie ein supermassereiches Schwarzes Loch Polarjets erzeugt. Die große Mehrheit der in einem Strahl freigesetzten Energie entweicht in Form von Gammastrahlen, und Forscher dachten zuvor, dass all diese Energie in der Nähe des Schwarzen Lochs freigesetzt werden muss, in der Nähe der Stelle, an der die in das Schwarze Loch fließende Materie ihre Energie im Strahl abgibt erster Platz. Die neuen Ergebnisse legen jedoch nahe, dass die Gammastrahlen - wie optisches Licht - relativ weit vom Schwarzen Loch entfernt emittiert werden. Dies, so Hayashida und Madejski, legt wiederum nahe, dass die Magnetfeldlinien der Energie irgendwie helfen müssen, sich weit vom Schwarzen Loch zu entfernen, bevor sie in Form von Gammastrahlen freigesetzt wird.
"Was wir fanden, war ganz anders als erwartet", sagte Madejski. „Die Daten legen nahe, dass Gammastrahlen nicht ein oder zwei Lichttage vom Schwarzen Loch erzeugt werden (wie erwartet), sondern näher an einem Lichtjahr. Das ist überraschend."
Die allmähliche Änderung der Polarisation des optischen Lichts zeigt nicht nur, wo im Strahl Licht erzeugt wird, sondern auch etwas Unerwartetes an der Gesamtform des Strahls: Der Strahl scheint sich zu krümmen, wenn er sich vom Schwarzen Loch wegbewegt.
"An einem Punkt während eines Gammastrahlen-Flares drehte sich die Polarisation um 180 Grad, als sich die Intensität des Lichts änderte", sagte Hayashida. "Dies deutet darauf hin, dass sich der gesamte Jet krümmt."
Dieses neue Verständnis des Innenlebens und der Konstruktion eines Blazar-Jets erfordert ein neues Arbeitsmodell der Jet-Struktur, bei dem sich der Jet dramatisch krümmt und das energiereichste Licht weit vom Schwarzen Loch entfernt entsteht. Hier, so Madejski, kommen Theoretiker ins Spiel. „Unsere Studie stellt Theoretiker vor eine sehr wichtige Herausforderung: Wie würden Sie einen Jet bauen, der möglicherweise Energie so weit vom Schwarzen Loch entfernt transportiert? Und wie könnten wir das dann erkennen? Die Berücksichtigung der Magnetfeldlinien ist nicht einfach. Verwandte Berechnungen sind analytisch schwierig durchzuführen und müssen mit äußerst komplexen numerischen Schemata gelöst werden. “
Der Theoretiker Jonathan McKinney, Einstein Fellow der Stanford University und Experte für die Bildung magnetisierter Jets, stimmt zu, dass die Ergebnisse so viele Fragen aufwerfen, wie sie beantworten. „Es gibt seit langem eine Kontroverse über diese Jets - genau darüber, woher die Gammastrahlenemission kommt. Diese Arbeit schränkt die möglichen Arten von Jet-Modellen ein “, sagte McKinney, der mit der jüngsten Studie nicht in Verbindung steht. "Aus der Sicht eines Theoretikers bin ich aufgeregt, weil dies bedeutet, dass wir unsere Modelle überdenken müssen."
Während Theoretiker überlegen, wie die neuen Beobachtungen zu Modellen der Funktionsweise von Jets passen, werden Hayashida, Madejski und andere Mitglieder des Forschungsteams weiterhin mehr Daten sammeln. "Es ist eindeutig erforderlich, solche Beobachtungen über alle Arten von Licht hinweg durchzuführen, um dies besser zu verstehen", sagte Madejski. „Um diese Art von Studie durchzuführen, an der mehr als 250 Wissenschaftler und Daten von etwa 20 Teleskopen beteiligt waren, ist eine enorme Koordination erforderlich. Aber das ist es wert."
Mit dieser und zukünftigen Studien mit mehreren Wellenlängen erhalten Theoretiker neue Erkenntnisse, mit denen sie Modelle für die Funktionsweise der größten Beschleuniger des Universums erstellen können. Darth Vader wurde jeglicher Zugang zu diesen Forschungsergebnissen verweigert.
Quellen: Pressemitteilung des DOE / SLAC National Accelerator Laboratory, ein Artikel in der Nature-Ausgabe vom 18. Februar 2010.
