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Helle Knoten im Schwarzen-Loch-Jet sprechen gegen starke Schockwellen
Schwarze Löcher schleudern relativistische Plasmaströme ins All, doch ihre Bewegung ließ sich bislang vor allem an einzelnen hellen Strukturen verfolgen. Eine neue Videorekonstruktion des Blazars 3C 345, eines aktiven Galaxienkerns, dessen Jet fast in unsere Richtung weist, macht nun den lokalen Plasmafluss über 27 Jahre sichtbar. Die Messdaten sprechen bei diesem Jet gegen die gängige Deutung seiner hellen Knoten als starke wandernde Schockwellen.
Granada (Spanien). In den Jets aktiver Galaxienkerne wandern helle Komponenten mit scheinbar überlichtschneller Geschwindigkeit vom Zentrum nach außen. Solche Strukturen wurden häufig als Schockwellen interpretiert, die durch das magnetisierte Plasma laufen und es dabei verdichten. Bisher ließ sich aber vor allem die Bewegung dieser auffälligen Komponenten verfolgen, während die lokale Strömung des umgebenden Plasmas schwer zugänglich blieb.
Das liegt auch an der Beobachtungsmethode. Die Very Long Baseline Interferometry (VLBI) kombiniert Radioteleskope über große Entfernungen und erreicht dadurch eine enorme Winkelauflösung, liefert bei veränderlichen Quellen aber meist einzelne Momentaufnahmen. Um aus einer solchen Folge die Bewegung des gesamten Jets abzuleiten, müssen räumliche und zeitliche Veränderungen gemeinsam rekonstruiert werden.
Forscher des Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) um Marianna Foschi haben dafür 116 Beobachtungen des Blazars 3C 345 aus den Jahren 1995 bis 2022 gemeinsam ausgewertet. Die Daten wurden bei 15 Gigahertz mit dem Very Long Baseline Array (VLBA) aufgenommen. Ihr Algorithmus kine nutzt ein neuronales Feld, das alle Beobachtungsepochen zugleich verarbeitet und räumlich-zeitliche Zusammenhänge in den Messdaten lernt.
Statt jedes Radiobild unabhängig zu rekonstruieren, erzeugt das Verfahren eine zeitlich kontinuierliche Darstellung der Helligkeit und Polarisation. Für den Datensatz von 3C 345 erreicht kine nach den Validierungstests eine effektive Auflösung von rund 113 Mikro-Bogensekunden, etwa viermal besser als der nominelle Wert. Der Dynamikumfang, also der erfassbare Kontrast zwischen schwachen und hellen Strukturen, liegt bei ungefähr 5,1 × 10⁵ und damit rund 140-mal über der traditionellen Rekonstruktion. Die Forscher betonen, dass diese Verbesserungen von Qualität, Menge und zeitlicher Abdeckung der jeweiligen Daten abhängen.
„Aus der Videorekonstruktion erhalten wir mit großer Detailgenauigkeit einen hochgradig veränderlichen Jet, in dem wir die Bewegung des Plasmas Punkt für Punkt verfolgen können, sowie eine Struktur des Polarisationsfelds, die über fast drei Jahrzehnte erhalten bleibt, mit einem toroidalen Magnetfeld vereinbar ist, das den Jet durchzieht, und Teil eines großräumigeren helikalen Feldes sein könnte“, erklärt Marianna Foschi.
Die zeitliche Kontinuität des Videos ermöglicht eine weitere Analyse mit optischem Fluss, einem Verfahren zur Bestimmung lokaler Bewegungen zwischen aufeinanderfolgenden Bildern. Dadurch erhält das Team ein zweidimensionales Geschwindigkeitsfeld für den Jet. Frühere Verfahren konnten dagegen vor allem die Bahnen einzelner heller Komponenten verfolgen und deren Geschwindigkeit bestimmen.
„Die Kontinuität und die hohe Auflösung unseres Videos haben es uns erstmals ermöglicht, eine vollständige Karte der Geschwindigkeit und der Bewegungsrichtung des Plasmas in den verschiedenen Bereichen des Jets zu erstellen. Bisher konnten Studien nur messen, wie sich einige große Strukturen innerhalb des Jets bewegten“, sagt Antonio Fuentes vom Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC).
Diese Geschwindigkeitskarte erlaubt erstmals im untersuchten Datensatz einen direkten Vergleich zwischen den auffälligen Knoten und der mittleren Strömung in ihrer Umgebung. Dabei liegen die Geschwindigkeiten der hellen Komponenten in derselben Größenordnung wie die durchschnittliche Plasmageschwindigkeit. Zugleich fanden die Forscher keine Korrelation zwischen den hellen Strukturen und den Spitzen der fraktional