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Schwarzes Loch: Gerichtete Elektronen können helle Ränder kosmischer Jets erklären
Die Materiestrahlen im Zentrum der Galaxie Centaurus A sind an ihren Rändern heller als in der Mitte. Neue Computersimulationen reproduzieren dieses Muster, wenn schnelle Elektronen bevorzugt entlang der Magnetfeldlinien unterwegs sind. Damit rückt die Bewegung einzelner Teilchen als mögliche Erklärung für die Helligkeitsverteilung in den Fokus, ein direkter Nachweis des Mechanismus steht jedoch noch aus.
Würzburg (Deutschland). Schwarze Löcher können aus ihrer unmittelbaren Umgebung zwei gebündelte Plasmaströme in entgegengesetzte Richtungen treiben. Diese Jets bewegen sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit und senden dabei Radiostrahlung aus, deren Verteilung Aufschluss über Magnetfelder und Teilchen im Inneren geben kann.
Centaurus A liegt rund zwölf Millionen Lichtjahre entfernt und besitzt im Zentrum ein Schwarzes Loch mit etwa 60 Millionen Sonnenmassen. Aufnahmen des Event Horizon Telescope (EHT) bei 1,3 Millimetern Wellenlänge zeigen, dass gerade die äußeren Bereiche der Jets besonders hell sind. Dieses seit Langem bekannte Erscheinungsbild lässt sich mit einfachen Vorstellungen eines gleichmäßig strahlenden Plasmaflusses nur schwer erklären.
Forscher der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) um Felix Glaser haben den inneren Jet von Centaurus A mit dreidimensionalen Computersimulationen untersucht. Die Berechnungen bilden das einfallende Gas, die Entstehung der Ausströmungen und ihre Strahlung in der gekrümmten Raumzeit nahe dem Schwarzen Loch nach.
Entscheidend ist eine bisher oft vereinfachte Annahme über die energiereichen Elektronen. Bewegen sich diese Teilchen bevorzugt entlang der Magnetfeldlinien statt ungeordnet in alle Richtungen, hängt die abgegebene Synchrotronstrahlung stark von der Ausrichtung des örtlichen Magnetfeldes ab. Das ist die Strahlung, die schnelle geladene Teilchen in Magnetfeldern erzeugen. Weil die Feldlinien im Jet schraubenförmig verlaufen können, entsteht im Modell ein leuchtender Rand bei vergleichsweise dunkler Mitte.
Die Simulation erzeugt damit ein Bild, das den tatsächlichen Radiobeobachtungen ähnelt, ohne eine besonders dichte äußere Plasmaschicht vorauszusetzen. Sie liefert eine mögliche Erklärung dafür, weshalb das Zentrum des Strahls schwächer erscheint.
„Centaurus A ist unser nächstgelegenes Fenster zur Physik relativistischer Jets“, sagt Felix Glaser.
Für den Vergleich verwandelte das Team seine Simulationen in künstliche Teleskopdaten und passte diese statistisch an die EHT-Messungen an. Das Modell reproduziert die hellen Ränder sowohl des Jets als auch des schwächeren Gegenjets und stimmt mit zentralen Eigenschaften der Beobachtungen überein.
Mit Messungen des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) verglichen die Wissenschaftler auch die Polarisation der Radiostrahlung, die Hinweise auf die Magnetfeldstruktur liefert. Der beste Modellabgleich ergibt eine Masse von rund 60 Millionen Sonnenmassen und einen Blickwinkel von etwa 72 Grad zur Jet-Achse. Beide Werte hängen allerdings von den zugrunde gelegten Modellannahmen ab.
Vollständig deckungsgleich sind Rechnung und Beobachtung nicht. Die berechnete dunkle Zone in der Jet-Mitte fällt weniger ausgeprägt aus, und bei bestimmten Teleskopabständen bleiben Unterschiede zwischen Messung und Modell. Auch andere Prozesse, etwa unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten oder die Abkühlung der Elektronen, kommen als Beiträge zum hellen Rand infrage.