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Gewaltige Gammastrahlenausbrüche in der Nähe von massereichen Schwarzen Löchern

22.05.2014 - (idw) Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Wo in den Jets von weit entfernten aktiven Galaxien werden die gewaltigen Ausbrüche hochenergetischer Gammastrahlung erzeugt? Ein Team unter der Leitung von Lars Fuhrmann vom MPIfR Bonn hat über Jahre hinweg mit koordinierten Radio- und Gammastrahlenbeobachtungen untersucht, wo genau diese hochenergetischen Strahlungsausbrüche stattfinden. Zum ersten Mal konnte ein Zusammenhang zwischen Ausbrüchen im Gammastrahlenbereich und ihren Pendants in mehreren Radiofrequenzen für eine große Zahl von Galaxien bestätigt werden. Die Messung von zeitlichen Verzögerungen zwischen diesen Ausbrüchen ermöglichte schließlich deren Lokalisierung in unmittelbarer Nähe zu den Zentren der aktiven Galaxien. Spezielle Arten von weit entfernten aktiven Galaxien zeigen extreme Vorgänge in ihrem innersten Bereich. In der Nachbarschaft eines rotierenden supermassereichen Schwarzen Lochs mit einer Masse von mehreren Milliarden Sonnenmassen werden enorme Energiemengen freigesetzt, und das sehr oft in der energiereichsten Strahlungsform, nämlich Gammaphotonen im Mega- oder sogar Gigaelektronenvolt-Bereich (MeV/GeV). Derartige Energiemengen können nur dadurch erzeugt werden, dass das Schwarze Loch sozusagen mit Sternen aus der Umgebung, mit Gas und Staub "gefüttert" wird. Die Materie bewegt sich innerhalb einer Scheibe (der so genannten Akkretionsscheibe) auf spiralförmigen Bahnen in Richtung des zentralen Schwarzen Lochs, wobei ein Teil des einfallenden Gases durch starke Magnetfelder gebündelt in zwei energiereichen Plasmajets senkrecht zur Akkretionsscheibe fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird und aus Richtung Zentrum herausschießt. Ein Teil der damit verbundenen physikalischen Prozesse ist immer noch nicht im Detail verstanden, wie z.B. die Produktion der hochenergetischen Gammaphotonen und der Ort ihrer Entstehung oder der Ursprung starker Strahlungsausbrüche in diesen Galaxien, die entlang des gesamten elektromagnetischen Spektrums beobachtet werden. Neue Instrumente sowie Beobachtungsprogramme, mit denen eine korrelierte Beobachtung von unterschiedlichen Wellenlängen- oder Energiebereichen im Spektrum möglich wird, geben neue Einsichten in die extreme Physik dieser aktiven Galaxienkerne.

Eine Kombination von drei Weltklasse-Teleskopen für ihren jeweiligen Frequenzbereich, dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg, dem 30-m-IRAM-Teleskop auf dem Pico Veleta/Spanien und dem 12-m-APEX-Teleskop in Chile, ermöglicht die gleichzeitige Untersuchung von 11 unterschiedlichen Radiofrequenzbändern im Rahmen des F-GAMMA-Programms (Fermi-GST AGN Multi-frequency Monitoring Alliance). Das Forscherteam war damit in der Lage, die regelmäßig auftretenden Strahlungsausbrüche von insgesamt 60 leuchtkräftigen aktiven Galaxien über viele Jahre hinweg systematisch zu überwachen. "Seit dem Einsatz des EGRET-Detektors an Bord des Compton-Gammastrahlensatelliten in den 1990er Jahren wurde diskutiert, ob die beobachteten Radiostrahlungsausbrüche in einer physikalischen Verbindung mit den ähnlich erscheinenden Gammastrahlenausbrüchen stehen", sagt Anton Zensus, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) und Fermi-assoziierter Wissenschaftler. "Mit unserer systematischen Kombination von Radiodaten aus dem F-GAMMA-Programm und Beobachtungsdaten mit dem Fermi-Gammastrahlensatelliten sowie speziellen Analysetechniken können wir es jetzt endlich bestätigen!"

Zusätzlich zu den Radiodaten im Rahmen des F-GAMMA-Programms hatten die Forscher Hochenergiedaten von dem 2008 gestarteten FermiGammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA zur Verfügung und nutzten neue statistische Methoden, um eine Vielzahl von Strahlungsausbrüchen in beiden Wellenlängenbereichen aufzuaddieren. "Es war schon aufregend, zu sehen, wie das statistische Rauschen in unseren gemittelten Daten runterging, und die Korrelation zwischen Radio- und Gammabereich immer deutlicher sichtbar wurde", erklärt Stefan Larsson von der Universität Stockholm in Schweden. "Das zeigt letztendlich, das es eine signifikante Verbindung zwischen beiden gibt, die sogar für die unterschiedlichen Radiofrequenzen bestehen bleibt." Die Studie zeigt auch, dass die Ausbrüche im Radiobereich zeitlich später im Teleskop zu sehen waren als die entsprechenden Ausbrüche im Gammabereich, wobei die mittleren Verzögerungen zwischen ca. 10 und 80 Tagen liegen. "Wir können außerdem zum ersten Mal sehen, dass die Verzögerungen im Radiobereich zu höheren Frequenzen hin immer kleiner werden", fügt Emmanouil Angelakis vom MPIfR hinzu. "Da wir bei höheren Radiofrequenzen immer tiefer in den Jet schauen, ist somit klar, dass die Photonen der Gammastrahlung tatsächlich aus dem allerinnersten Bereich des Jets kommen."

Mit Hilfe der gemessenen Zeitverzögerungen war das Team schließlich in der Lage, Abstände von weniger als einigen 10 Lichtjahren zwischen den Regionen im Jet abzuschätzen, in denen die Radio- bzw. Gammastrahlungsausbrüche stattfinden. "Auf der Basis unserer Verzögerungsmessungen können wir für die Galaxie 3C 454.3, eine der hellsten Gammastrahlungsquellen am Himmel, sogar abschätzen, wie weit von dem zentralen Schwarzen Loch selbst die meisten der Gammaphotonen erzeugt werden. Wir sprechen dabei über einen Abstand von nur wenigen Lichtjahren das ist sehr nahe zum Fußpunkt des Jets und zum Zentralobjekt", berichtet stolz Lars Fuhrmann vom MPIfR, der Erstautor der Veröffentlichung. "Das hat schwerwiegende Auswirkungen auf die physikalischen Prozesse, durch die die Gammaphotonen erzeugt werden", fügt er hinzu. Das Forscherteam wird damit fortfahren, das "Gemeinsame Auge" für Radio- und Gammastrahlung aus dem Universum für noch genauere Daten von neuen Strahlungsausbrüchen im Universum einzusetzen.

Originalveröffentlichung:

Detection of significant cm to sub-mm band radio and -ray correlated variability in Fermi bright blazars, L. Fuhrmann, S. Larsson, J. Chiang, E. Angelakis, J. A. Zensus, I. Nestoras, T. P. Krichbaum, H. Ungerechts, A. Sievers, V. Pavlidou, A. C. S. Readhead, W. Max-Moerbeck, and T. J. Pearson, 2014, MNRAS, 441, 1899-1909.

http://mnras.oxfordjournals.org/content/441/3/1899.abstract
http://arxiv.org/abs/1403.4170

Kontakt:

Dr. Lars Fuhrmann,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie.
Fon: +49(0)228-525-424
E-mail: lfuhrmann@mpifr-bonn.mpg.de

Prof. Dr. J. Anton Zensus,
Director and Head of Research Group Radio Astronomy / VLBI

Max-Planck-Institut für Radioastronomie.
Fon: +49(0)228-525-298
E-mail: azensus@mpifr-bonn.mpg.de

Dr. Emmanouil Angelakis,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie.
Fon: +49(0)228-525-217
E-mail: eangelakis@mpifr-bonn.mpg.de

Dr. Norbert Junkes,
Press and Public Outreach,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie.
Fon: +49(0)228-525-399
E-mail: njunkes@mpifr-bonn.mpg.de Weitere Informationen:http://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressemeldungen/2014/5
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