Astronomen beobachten erstmals in Echtzeit die Entstehung von Jets Schwarzer Löcher

Im Mittelpunkt der Aufregung steht eine etwa 270 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernte Galaxie im Sternbild Draco namens 1ES 1927+654. Viele Jahre lang hatten Wissenschaftler 1ES 1927+654 als „aktiven galaktischen Kern“ oder AGN klassifiziert, was bedeutet, dass er in seinem Zentrum ein aktives Schwarzes Loch hat. Dieses spezielle Schwarze Loch fügte langsam Material hinzu – bis es nicht mehr dazu kam.

Bereits im Jahr 2018 machte das Schwarze Loch erstmals Schlagzeilen, als es seine Aktivität plötzlich exponentiell steigerte. Es erhöhte die Rate, mit der es Material verbrauchte, dramatisch und wurde im Laufe weniger Monate im sichtbaren Lichtspektrum über 100-mal heller. Früher ging man davon aus, dass ein solcher Wandel viel länger als ein Menschenleben dauern würde, nämlich in der Größenordnung von Tausenden bis Millionen Jahren. Seitdem haben Wissenschaftler es genau auf weitere interessante Phänomene untersucht, und 1ES 1927+654 hat geliefert.

Mehr Drama

Nachdem im Jahr 2018 der starke Anstieg der Aktivität einsetzte, der fast ein Jahr lang extrem hohe Röntgenemissionen beinhaltete, beruhigte sich das Schwarze Loch bis 2020 wieder – nur um seine Leistung im Jahr 2023 wieder dramatisch zu steigern begann innerhalb weniger Monate damit, Radiowellen mit der 60-fachen Intensität auszusenden, ein Verhalten, das bei einem supermassiven Schwarzen Loch noch nie in Echtzeit beobachtet wurde.

Einige der hochauflösenden Bilder von Hochfrequenzemissionen wurden mit einer Technik namens Very Long Baseline Interferometry (VLBI) erfasst. Es zeigt deutlich ein Paar entgegengesetzt gerichteter Plasmajets, die sich in der Nähe des Schwarzen Lochs bilden und sich im Laufe der Jahre 2023 bis 2024 nach außen ausdehnen. Neben dem anderen ungewöhnlichen Verhalten des Schwarzen Lochs ist dies die erste Beobachtung der Jet-Bildung in Echtzeit .

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler eine Handvoll supermassiver Schwarzer Löcher entdeckt, die bei Radiofrequenzen weitaus intensiver zu emittieren scheinen als bei ihrer ersten Beobachtung, was sie als „AGN mit wechselndem Aussehen“ bezeichnen. Bisher wurden sie jedoch alle zu zwei Zeitpunkten im Abstand von Jahren oder Jahrzehnten beobachtet, und man ging davon aus, dass dazwischen „etwas passiert“ sei. Dieses neue Papier gibt einen ersten Einblick Wie Diese Art der Änderung erfolgt im Detail.

Einschalten in Echtzeit

In einigen Fällen können Jets von Schwarzen Löchern „weite Ausmaße weit außerhalb der Muttergalaxie erreichen. Sie können Einfluss darauf haben, wie viele Sterne sich bilden“, sagt Meyer. Herauszufinden, wie die Jets funktionieren, „ist eine sehr wichtige Sache, um das Gesamtbild der Entwicklung des Universums und der Galaxien zu verstehen.“

In dem in der neuen Arbeit beschriebenen Fall „haben wir sehr detaillierte Beobachtungen eines Radiojets, der sich in Echtzeit ‚einschaltet‘, und noch aufregender sind die VLBI-Beobachtungen, die deutlich zeigen, wie sich diese Plasmaklumpen aus dem Schwarzen Loch herausbewegen.“ Sagt Meyer. „Das zeigt uns, dass es sich tatsächlich um einen ausströmenden Plasmastrahl handelt, der die Funkemission verursacht. Es handelt sich nicht um einen anderen Prozess, der eine erhöhte Funkemission verursacht. Es handelt sich um einen Strahl, der sich wahrscheinlich mit 20 bis 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit bewegt und in unmittelbarer Nähe eines Schwarzen entsteht.“ Loch. Das ist das Spannende.“

Sibasish Lahaein stellvertretender Forschungswissenschaftler für UMBC am Center for Space Sciences Technology und Zweitautor der neuen Arbeit, untersucht seit langem das sich verändernde Aussehen von AGN bei Röntgenwellenlängen. Aufgrund der Vermutung, dass die Hochfrequenzemission von 1ES 1927+654 ebenfalls ein interessantes Verhalten zeigen könnte, wandte er sich bereits 2020 an Meyer, um eine Zusammenarbeit zur Untersuchung von 1ES 1927+654 und anderen ähnlichen Galaxien zu gründen. Er ist Hauptautor eines Begleitpapiers dazu wird derzeit geprüft. Es umfasst zusätzliche Röntgenbeobachtungen und die Interpretation des Jet-Bildungsereignisses.

„Wir verstehen immer noch nicht, wie Schwarze Löcher und ihre Wirtsgalaxien miteinander interagieren und sich in kosmischer Zeit gemeinsam entwickeln“, sagt Laha, „und diese Studie gibt uns zum ersten Mal die seltene Gelegenheit zu verstehen, wie ein supermassereiches Schwarzes Loch“ spricht mit der Wirtsgalaxie.

Nichts für schwache Nerven

Bei dieser Art von Arbeit ist Zeit von entscheidender Bedeutung. „Zeitbereichsastronomie“, wie sie genannt wird, „ist nichts für schwache Nerven“, sagt Meyer. „Weißt du, es gibt Schnellwarnungen – etwas passiert und du musst weitermachen. Du musst loslegen, und es spielt keine Rolle, ob es Mitternacht ist, du musst diese E-Mail senden, weil du weißt, dass jede Stunde zählt. Das ist es.“ ein bisschen stressig.

Das Projekt wurde zu einem „Alle Mann an Deck“-Moment für die UMBC-Zusammenarbeit. Als Meyer und Laha den enormen Anstieg der Radioaktivität im Jahr 2023 sahen, sagte Meyer: „Wir dachten: ‚Wow, ok, es passiert etwas.‘ Das hat man noch nie zuvor gesehen. Wir waren sehr aufgeregt, also haben wir im Grunde genommen versucht, jedes Radioteleskop zu ergattern und es dazu zu bringen, diese Quelle zu untersuchen.

Da sich 1ES 1927+654 vor ihren Augen so schnell veränderte, erhielt das Team während des Untersuchungszeitraums, in dem die Teleskopzeit normalerweise Monate oder Jahre im Voraus geplant werden muss, neue, außerplanmäßige Beobachtungen an Teleskopen auf der ganzen Welt.

Ein Postdoktorand, der mit Meyer zusammenarbeitet, Onic ShuvoDer dritte Autor des Artikels übernahm den Löwenanteil der nächtlichen Aufgaben, analysierte schnell eingehende Daten und forderte neue Beobachtungen an. Er ist begeistert, Teil einer solch aufregenden Entdeckung zu sein. „Dieser bemerkenswerte Befund stellt bestehende Modelle der AGN-Aktivität in Frage und unterstreicht die einzigartige Rolle, die AGN mit sich veränderndem Aussehen bei der Entschlüsselung der Geheimnisse des zentralen Motors aktiver Galaxien in Echtzeit spielen“, sagt Shuvo.

Ein neuer Jet ist geboren

Die neugeborenen Jets von 1ES 1927+654 seien im Vergleich zu den massiven Jetstrukturen in einigen der stärksten AGN relativ klein, sagt Meyer. Aber das macht sie nicht weniger interessant – tatsächlich kommen sie wahrscheinlich im gesamten Universum häufiger vor und daher ist es sehr wichtig, sie zu verstehen, sagt sie.

Einige Daten deuten darauf hin, dass der Flare von 2018 im sichtbaren Spektrum auf ein „Gezeitenstörungsereignis“ zurückzuführen sein könnte, bei dem ein großes Objekt wie ein Stern oder eine Gaswolke einem inaktiven Schwarzen Loch zu nahe kommt und es nur für eine Weile künstlich aufhellt ein paar Jahre, sagt Meyer. Aber Beobachtungen von Gezeitenstörungsereignissen in bereits aktiven Galaxien sind selten und nicht gut verstanden.

Während sich die größten Plasmajets weit über ihre Heimatgalaxien hinaus erstrecken und Millionen von Jahren bestehen bleiben, gewinnen Wissenschaftler Erkenntnisse über eine neue Klasse kleinerer, kurzlebiger Jets, die „kompakte symmetrische Objekte“ oder CSOs genannt werden. Meyer glaubt, dass die Daten in diesem Fall am deutlichsten auf die Geburt eines neuen CSO hinweisen. Eine neuere Hypothese besagt, dass sich Jets in CSOs qualitativ von den sehr großen und langlebigen Jets unterscheiden, die anderswo zu sehen sind, sagt Meyer und stellen möglicherweise „eine einzelne Aufnahme eines Sterns oder einer Gaswolke dar; im Grunde geschieht ein einzelnes Gezeitenstörungsereignis, das dies antreibt.“ Kurzzeitjet für vielleicht 1.000 Jahre.

Möglicherweise ereignete sich die Gezeitenstörung vor mehreren Jahren, „und es dauerte ein paar Jahre, bis sich das anwachsende Schwarze Loch organisierte und mit der Produktion des Jets begann“, wie das Team in den Jahren 2023 bis 2024 sah, sagt Meyer.

Offene Fragen

Alles in allem: „Wir verstehen nach all den Jahrzehnten der Untersuchung dieser Quellen immer noch nicht wirklich, warum nur ein Bruchteil der akkretierenden Schwarzen Löcher Jets erzeugen und wie sie diese dann genau ausstoßen. Bis vor Kurzem konnten wir nicht buchstäblich in diese innerste Region blicken, um zu sehen, was passiert.“ „Und es gibt noch viele offene Fragen“, sagt Meyer.

Es bleiben Fragen offen, aber heute gibt es viele vielversprechende Modelle dafür, wie Schwarze Löcher Jets erzeugen, sagt Meyer. Zu den nächsten Schritten gehört die Zusammenarbeit mit Theoretikern, um zu verstehen, wie die Daten aus dieser Studie dabei helfen können, diese Modelle zu testen und zu verfeinern.

„Es gibt noch viel theoretische Arbeit zu leisten, um zu verstehen, was wir gesehen haben, aber das Gute ist, dass wir über eine riesige Datenmenge verfügen“, sagt Meyer. „Wir werden dieser Quelle weiter folgen und es wird weiterhin spannend bleiben.“