Astronomer fångar bildandet av en kraftfull kosmisk jetstråle

Credit: https://www.nature.com/articles/s41550-023-02105-7
Credit: https://www.nature.com/articles/s41550-023-02105-7

Med hjälp av ett nätverk av radioteleskop på jorden och i rymden har astronomer fångat den mest detaljerade bilden någonsin av en plasmastråle från ett supermassivt svart hål. Strålen färdas med nästan ljusets hastighet och uppvisar komplexa, vridna mönster nära sin källa. Dessa mönster utmanar den standardteori som har använts i 40 år för att förklara hur dessa jetstrålar bildas och förändras över tiden.

Ett viktigt bidrag till observationerna kom från Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn, Tyskland, där data från alla deltagande teleskop kombinerades för att skapa ett virtuellt teleskop med en effektiv diameter på cirka 100 000 kilometer.

Blazarer är de ljusstarkaste och mest kraftfulla källorna till elektromagnetisk strålning i kosmos. De är en underklass av aktiva galaxkärnor som består av galaxer med ett centralt supermassivt svart hål som ackumulerar materia från en omgivande skiva. Cirka 10% av de aktiva galaxkärnorna, som klassificeras som kvasarer, producerar relativistiska plasmastrålar.

Blazarer tillhör en liten del av kvasarerna där vi kan se dessa jetstrålar peka nästan direkt mot observatören. Nyligen har ett team av forskare, inklusive forskare från Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) i Bonn, Tyskland, avbildat den innersta regionen av jetstrålen i blazaren 3C 279 med en aldrig tidigare skådad vinkelupplösning och upptäckt anmärkningsvärt regelbundna spiralformade filament som kan kräva en översyn av de teoretiska modeller som hittills använts för att förklara de processer genom vilka jetstrålar produceras i aktiva galaxer.

”Tack vare RadioAstron, rymduppdraget för vilket det kretsande radioteleskopet nådde avstånd så långt bort som månen, och ett nätverk av tjugotre radioteleskop fördelade över jorden, har vi fått den högsta upplösningsbilden av en blazars inre hittills, vilket gör att vi för första gången kan observera jetstrålens inre struktur i detalj”, säger Antonio Fuentes, forskare vid Institutet för astrofysik i Andalusien (IAA-CSIC) i Granada, Spanien, som leder arbetet.

RadioAstron-uppdragets nya fönster mot universum har avslöjat nya detaljer i plasmastrålen från 3C 279, en blazar med ett supermassivt svart hål i sin kärna. Jetstrålen har minst två vridna filament av plasma som sträcker sig mer än 570 ljusår från centrum.

”Det här är första gången vi har sett sådana filament så nära jetstrålens ursprung, och de berättar mer om hur det svarta hålet formar plasman. Den inre jetstrålen observerades också av två andra teleskop, GMVA och EHT, vid mycket kortare våglängder (3,5 mm och 1,3 mm), men de kunde inte upptäcka filamentformerna eftersom de var för svaga och för stora för denna upplösning”, säger Eduardo Ros, medlem i forskargruppen och europeisk schemaläggare för GMVA.

”Detta visar hur olika teleskop kan avslöja olika egenskaper hos samma objekt”, tillägger han.

Plasmastrålarna som kommer från blazarer är inte riktigt raka och enhetliga. De uppvisar vridningar och vändningar som visar hur plasman påverkas av krafterna runt det svarta hålet. Astronomerna som studerade dessa vridningar i 3C 279, som kallas spiralformade filament, fann att de orsakades av instabiliteter som utvecklades i jetplasman.

I samband med detta insåg de också att den gamla teori som de hade använt för att förklara hur jetstrålarna förändrades över tiden inte längre fungerade.

Därför behövs nya teoretiska modeller som kan förklara hur sådana spiralformade filament bildas och utvecklas så nära jetstrålens ursprung. Detta är en stor utmaning, men också en fantastisk möjlighet att lära oss mer om dessa fantastiska kosmiska fenomen.

”En särskilt spännande aspekt av våra resultat är att de tyder på förekomsten av ett spiralformat magnetfält som begränsar jetstrålen”, säger Guang-Yao Zhao, för närvarande knuten till MPIfR och medlem av forskargruppen. ”Därför kan det vara magnetfältet, som roterar medurs runt jetstrålen i 3C 279, som styr och vägleder jetstrålens plasma som rör sig med en hastighet på 0,997 gånger ljusets hastighet.”

”Liknande spiralformade filament har observerats i extragalaktiska jetstrålar tidigare, men i mycket större skalor där de tros bero på att olika delar av flödet rör sig i olika hastigheter och skjuvas mot varandra”, tillägger Andrei Lobanov, en annan MPIfR-forskare i forskargruppen. ”Med den här studien ger vi oss in i en helt ny terräng där dessa filament faktiskt kan vara kopplade till de mest komplicerade processerna i omedelbar närhet av det svarta hål som producerar jetstrålen.”

Studien av den inre jetstrålen i 3C 279, som nu presenteras i det senaste numret av Nature Astronomy, utvidgar den pågående strävan efter att bättre förstå magnetfältens roll i den ursprungliga bildningen av relativistiska utflöden från aktiva galaxkärnor. Studien understryker de många utmaningar som återstår för den nuvarande teoretiska modelleringen av dessa processer och visar på behovet av ytterligare förbättringar av radioastronomiska instrument och tekniker som erbjuder den unika möjligheten att avbilda avlägsna kosmiska objekt med en rekordhög vinkelupplösning.

Med hjälp av en speciell teknik som kallas VLBI (Very Long Baseline Interferometry) skapas ett virtuellt teleskop med en effektiv diameter som är lika med det maximala avståndet mellan antennerna i en observation genom att data från olika radioobservatorier kombineras och korreleras.

RadioAstron-projektets forskare Yuri Kovalev, nu vid MPIfR, betonar vikten av ett sunt internationellt samarbete för att uppnå sådana resultat: ”Observatorier från tolv länder har synkroniserats med rymdantennen med hjälp av väteklockor, vilket bildar ett virtuellt teleskop som är lika stort som avståndet till månen.”

Anton Zensus, chef för MPIfR och en av de drivande krafterna bakom RadioAstron-uppdraget under de senaste två decennierna, säger: ”Experimenten med RADIOASTRON som ledde till bilder som dessa för kvasaren 3C 279 är exceptionella prestationer som möjliggjorts genom internationellt vetenskapligt samarbete mellan observatorier och vetenskapsmän i många länder. Uppdraget krävde årtionden av gemensam planering före satellitens uppskjutning. Att skapa de faktiska bilderna blev möjligt genom att ansluta stora teleskop på marken som Effelsberg och genom en noggrann analys av data i vårt VLBI-korrelationscenter i Bonn.”

Ytterligare information: Antonio Fuentes et al, Filamentary structures as the origin of blazar jet radio variability, Nature Astronomy (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-02105-7

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.