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Radiogalaxie mit zwei kollidierenden Plasmaknoten beobachtet
In den Jets aktiver Galaxienkerne rasen helle Plasmaknoten mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach außen. Bei der Radiogalaxie 3C 111 verfolgt eine neue Langzeitbeobachtung, wie ein schnellerer Knoten einen langsameren einholt und dabei deutlich heller sowie stärker polarisiert wird. Die Daten sprechen für einen direkt aufgelösten internen Schock rund zehn Parsec vom zentralen Schwarzen Loch entfernt.
Chofu (Japan). Schocks in den relativistischen Ausströmungen aktiver Galaxien gelten als wichtige Orte, an denen Teilchen Energie gewinnen und intensive Strahlung entsteht. Neben ortsfesten Schockzonen sagen Modelle auch interne Schocks voraus, bei denen ein schnelleres Paket aus Plasma auf langsameres Material im Jet aufläuft.
Solche Zusammenstöße sind schwer direkt nachzuweisen, weil die Jets selbst in hochaufgelösten Radiobildern nur als schmale Folge heller Strukturen erscheinen. Entscheidend ist deshalb, ob sich die Bewegung einzelner Knoten über längere Zeit verfolgen und mit ihrer Helligkeit sowie Polarisation verbinden lässt.
Kenzo Kawamura von The University of Electro-Communications (UEC) und sein Team haben den Jet von 3C 111 dafür von 2020 bis 2023 mit Very Long Baseline Interferometry (VLBI) verfolgt. Zusammen mit Archivdaten erhielten die Forscher 64 Beobachtungsepochen bei 15, 22 und 43 Gigahertz, aus denen sie Positionen, Bewegungen und Helligkeitskurven einzelner Jetknoten bestimmten. Die öffentlich zugängliche Fassung liegt derzeit als Preprint auf arXiv vor und ist dort bereits als zur Veröffentlichung angenommen gekennzeichnet.
Im Mittelpunkt stehen zwei Komponenten mit den Bezeichnungen K2 und K4. K2 wurde später ausgestoßen, bewegte sich aber deutlich schneller als K4 und näherte sich dem vorauslaufenden Knoten immer weiter an. Die Wechselwirkung setzte den Daten zufolge um April 2022 ein. Um Juli 2022 gingen beide Strukturen in den Modellierungen ineinander über, während das gemeinsame helle Merkmal weiter nach außen wanderte.
Die auffällige Aufhellung trat in einer projizierten Entfernung von zwei bis drei Parsec vom Radiokern auf. Unter Berücksichtigung der Blickrichtung des Jets entspricht dies nach der Studie etwa zehn Parsec Abstand vom zentralen Schwarzen Loch. Weil der beteiligte Knoten K2 auch nach dem Helligkeitsmaximum relativistisch weiterlief, passt das Verhalten besser zu einem bewegten internen Schock als zu einer ortsfesten Schockzone.
Auch die Strahlungsentwicklung stützt diese Deutung. K2 zeigte über ungefähr sechs Monate eine deutliche Aufhellung und anschließende Abschwächung, wobei die Maxima bei allen drei Radiofrequenzen ungefähr in denselben Zeitraum fielen. Bei 43 Gigahertz nahm die Helligkeit danach früher ab als bei 15 Gigahertz, was qualitativ zu einer schnelleren Abkühlung energiereicherer Elektronen passt.
Zusätzlich wertete das Team archivierte Polarisationsbilder bei 15 Gigahertz aus. Im auf K2 zentrierten Wechselwirkungsbereich stieg der Anteil linear polarisierter Strahlung von rund 0,9 Prozent im April und Mai 2022 auf maximal etwa 6,6 Prozent im August. Eine solche Zunahme ist mit einer stärkeren Ordnung oder Kompression des Magnetfelds durch einen Schock vereinbar.
Der Polarisationswert hat allerdings eine wichtige Einschränkung. K2 war während des Maximums nicht vollständig von benachbarten Knoten getrennt, sodass die 6,6 Prozent für die gesamte Wechselwirkungsregion und nicht allein für K2 gelten. Auch die genaue Richtung des polarisierten Signals lässt sich nicht einfach als Schockgeometrie lesen, unter anderem weil keine Korrektur für Faraday-Rotation vorgenommen wurde.
Die Beobachtungsreihe trennt den internen Schock von einer früheren Gammastrahlenepisode. Am 26. April 2021 registrierten Satellitendaten einen starken Ausbruch im GeV-Bereich, während zugleich der Radiokern heller wurde. Aus der Bewegung von K2 leitet das Team einen Ausstoßzeitpunkt um den 20. April 2021 mit einer Unsicherheit von 7,5 Tagen ab, was zeitlich gut zu diesem Ausbruch passt.