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    Fakultät für Physik und Astronomie

    Neue Einblicke in außergewöhnliche Galaxien

    19.06.2020

    Manche Galaxien besitzen in ihren Zentren möglicherweise zwei Schwarze Löcher. Das zeigt die Auswertung der von ihnen emittierten Gammastrahlen. An der Studie war die Würzburger Astrophysikerin Sara Buson beteiligt.

    Trifft Materie auf das Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie, wird ein Teil davon mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach außen beschleunigt. Mit dem Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA lassen sich solche sogenannten Jets beobachten.
    Trifft Materie auf das Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie, wird ein Teil davon mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach außen beschleunigt. Mit dem Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA lassen sich solche sogenannten Jets beobachten. (Bild: NASA/JPL-Caltech/GSFC)

    Die meisten Galaxien tragen in ihrem Zentrum ein Schwarzes Loch. Dies haben astronomische Beobachtungen in den vergangenen Jahrzehnten wiederholt bestätigt. „Im Allgemeinen zeichnen sich diese Schwarzen Löcher durch Massen von mehr als einer Million Sonnen aus. Sie werden deshalb auch Supermassive Schwarze Löcher genannt“, sagte Pablo Peñil.

    Peñil ist Doktorand an der Universidad Complutense de Madrid in Spanien und Hauptautor einer Studie, die jetzt in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal erschienen ist. Daran beteiligt war auch Sara Buson, Juniorprofessorin für Hochenergieastrophysik an der Fakultät für Physik und Astronomie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU).

    Daten aus jahrzehntelangen Beobachtungen

    In dieser Studie stellt ein internationales Team von Astronomen neue Erkenntnisse über die periodische Gammastrahlenemission von elf aktiven Galaxien vor. Wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler anhand der Daten aus jahrzehntelangen Beobachtungen nachweisen konnten, wiederholen sich diese Emissionen im Durchschnitt fast alle zwei Jahre. Die Studie ebnet damit den Weg für zukünftige Untersuchungen von außergewöhnlichen Galaxien, die zwei Supermassive Schwarze Löcher in ihren Zentren beherbergen.

    „Wir haben herausgefunden, dass einige dieser Supermassiven Schwarzen Löcher, die als aktive galaktische Kerne bekannt sind, Teilchen in gebündelten Strahlen – so genannten Jets – bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigen“, erklärt Peñil. Die Emission dieser Jets lasse sich im gesamten elektromagnetischen Spektrum nachweisen, aber der größte Teil ihrer Energie werde in Form von Gammastrahlen freigesetzt, die mit dem Weltraumteleskop Fermi-LAT der NASA beobachtet wurden.

    Anspruchsvolle Suche nach winzigen Mustern

    Aktive galaktische Kerne zeichnen sich durch abrupte und unvorhersehbare Helligkeitsschwankungen aus. Muster darin zu erkennen, ist nicht einfach: „Die Identifikation regelmäßiger Muster in diesen Gammastrahlen ist so, als ob man auf die stürmische See schaut und nach dem winzigen regelmäßigen Wellenmuster sucht, das beispielsweise durch die Passage eines kleinen Bootes verursacht wird. Es wird sehr schnell sehr anspruchsvoll“, so Peñil.

     Dank eines Jahrzehnts von Fermi-LAT-Beobachtungen war das von Peñil geleitete Team in der Lage, die Wiederholung von Gammastrahlensignalen über Zyklen von einigen Jahren zu identifizieren. „Unsere Studie stellt die bisher vollständigste Arbeit über die Suche nach der Periodizität von Gammastrahlen dar. Sie wird dazu beitragen, Erkenntnisse über den Ursprung der rätselhaften Helligkeitsänderungen zu gewinnen“, sagte Alberto Domínguez, Peñils Doktorvater in Madrid und Mitautor des Artikels. „Wir haben neun Jahre ununterbrochene LAT-All-Sky-Beobachtungen verwendet. Unter den mehr als zweitausend analysierten aktiven galaktischen Kernen zeichnet sich nur etwa ein Dutzend durch diese faszinierende zyklische Emission aus“.

    Wichtiger Fortschritt im Verständnis der physikalischen Prozesse

    „Früher waren nur zwei Blazare bekannt, die periodische Veränderungen in ihrer Gammastrahlen-Aktivität zeigen. Dank unserer Studie können wir sagen, dass dieses Verhalten auch bei anderen elf Quellen auftritt“, ergänzt Sara Buson. „Darüber hinaus fand unsere Studie weitere dreizehn Galaxien mit Hinweisen auf zyklische Emission, aber um dies definitiv zu bestätigen, müssen wir warten, bis Fermi-LAT weitere Daten sammelt“. Nach Aussagen der Astrophysikerin stellt diese Vergrößerung der begrenzten Stichprobe periodischer Gammastrahlen-Emitter einen wichtigen Fortschritt für das Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse in diesen Galaxien dar.

    Mit seiner Studie hat das Team den ersten schwierigen Schritt zur Identifizierung einer großen Anzahl von Galaxien geschafft, die über Jahre hinweg periodisch emittieren, und versucht zu klären, was dieses periodische Verhalten in diesen galaktischen Kernen hervorruft. „Der nächste Schritt wird die Vorbereitung von Beobachtungskampagnen mit anderen Teleskopen sein, um diese Galaxien genau zu verfolgen und hoffentlich die Gründe für diese überzeugenden Beobachtungen zu entschlüsseln", sagt Marco Ajello von der Clemson University in South Carolina, USA.

    In der Diskussion sind mehrere Möglichkeiten. Diese reichen von Leuchtturmeffekten, die von den Jets erzeugt werden, bis hin zu Modulationen im Materiestrom zum Schwarzen Loch. Ein weiterer Lösungsansatz geht davon aus, dass die Periodizität durch ein Paar Supermassiver Schwarzer Löcher erzeugt wird, die umeinander rotieren. „Das Verständnis der Beziehung dieser Schwarzen Löcher mit ihrer Umgebung wird für ein vollständiges Bild der Galaxienentstehung von wesentlicher Bedeutung sein“, so Marco Ajello.

    Originalpublikation

    Systematic search for gamma-ray periodicity in active galactic nuclei detected by the Fermi Large Area Telescope. P. Peñil, A. Dominguez, S. Buson, M. Ajello, J. Otero-Santos, J. A. Barrio, R. Nemmen, S. Cutini, B. Rani, A. Franckowiak, and E. Cavazzuti. The Astrophysical Journal. DOI: 10.3847/1538-4357/ab910d

    Kontakt

    Prof. Dr. Sara Buson, Juniorprofessur für Hochenergieastrophysik, sara.buson@astro.uni-wuerzburg.de

    Von Gunnar Bartsch

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