Eine Galaxie als Teilchenbeschleuniger

Sie zählt zu den Giganten unter den Galaxien: Mit zwei bis drei Billionen Sonnenmassen dominiert das Objekt Messier 87 den sogenannten Virgohaufen. Im Zentrum des Milchstraßensystems vermuten die Forscher ein supermassives schwarzes Loch. Mit nahezu Lichtgeschwindigkeit schießen aus seiner Umgebung sogenannte Jets heraus, gewaltige Plasmaströme. Jetzt haben Wissenschaftler – unter anderem aus den Max-Planck-Instituten für Kernphysik und für Physik – diesen aktiven galaktischen Kern gleichzeitig sowohl im Gamma- als auch im Radiobereich beobachtet. Dabei fanden sie, dass die Elementarteilchen tatsächlich in direkter Nähe des schwarzen Lochs auf sehr hohe Energien beschleunigt werden (Science Express, 2. Juli 2009).

Messier 87 ist eine gigantische elliptische Radiogalaxie in unmittelbarer Nachbarschaft unserer Milchstraße, nur etwa 55 Millionen Lichtjahre entfernt. In ihrem Zentrum befindet sich ein schwarzes Loch mit einer mehr als sechs Milliarden Mal größeren Masse als der unserer Sonne. In Jets werden aus dem Herz der Galaxie geladene Teilchen (Elektronen und Protonen) auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.

Dabei entsteht sehr hochenergetische Gammastrahlung – Lichtteilchen mit der etwa Tausendmilliarden-fachen Energie des sichtbaren Lichts. Die „Gammas“ werden erzeugt, wenn die beschleunigten geladenen Teilchen mit ihrer Umgebung reagieren. Die Beobachtung dieser Strahlung erlaubt es, extreme physikalische Bedingungen im Universum zu erforschen, wie sie sich in keinem irdischen Labor simulieren lassen.

Erste Anzeichen hochenergetischer Gammastrahlung aus M 87 entdeckten Forscher bereits im Jahr 1998 mit den HEGRA-Teleskopen, dem Vorgängerexperiment von H.E.S.S. und MAGIC. Dieses Ergebnis bestätigten im Jahr 2006 Messungen mit den H.E.S.S.-Teleskopen. Die H.E.S.S.-Beobachtungen zeigten außerdem eine rasche Variation der Gammastrahlenintensität innerhalb weniger Tage: Offenbar ist die Quellregion der hochenergetischen Gammastrahlung ungewöhnlich kompakt. So vermuten die Wissenschaftler eine enge Beziehung zur unmittelbaren Umgebung des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum der elliptischen Riesengalaxie.

Um diesen Verdacht zu prüfen, begannen Forscher der MAGIC- und H.E.S.S.-Kollaborationen an den Max-Planck-Instituten für Physik (München) und Kernphysik (Heidelberg) mit Kollegen der VERITAS-Kollaboration (USA) und dem Radioteleskop-Netzwerk VLBA im Januar 2008 zusammenzuarbeiten. So beobachteten sie bis Mai 2008 in einer noch nie dagewesenen Messkampagne die Radiogalaxie M 87 für mehr als 120 Stunden gleichzeitig in den niedrigsten und höchsten Bereichen des elektromagnetischen Spektrums. Innerhalb dieses Zeitraums verfolgten die Forscher auch zwei große Gamma-Ausbrüche bei sehr hohen Energien.

Die hochauflösende Beobachtung der inneren Region von M 87 mit dem Radioteleskopsystem Very Large Baseline Array (VLBA) belegte einen stetigen Anstieg des Radioflusses aus dem Zentrum von Messier 87 – aus der unmittelbaren Nähe des supermassiven schwarzen Lochs. Diese Kombination von Beobachtungen in den niedrigsten (Radiowellen) und höchsten (Gammastrahlen) Bereichen des elektromagnetischen Spektrums ermöglichte es zum ersten Mal, den Gammastrahlungsausbruch zu lokalisieren – und damit den Ort der Teilchenbeschleunigung in M 87 auszumachen.

Das MAGIC-Teleskop auf der Kanareninsel La Palma und die H.E.S.S.-Teleskope in Namibia gehören zur neuesten Generation der atmosphärischen Cherenkov-Teleskope. Mit ihren Spiegeldurchmessern von 17 Metern (MAGIC) und vier mal jeweils 13 Metern (H.E.S.S.) sowie ultra-schneller Elektronik beobachten sie schwache blaue Lichtblitze – das Cherenkov-Licht. Diese Lichtblitze entstehen, wenn hochenergetische Gammateilchen mit den Atomen und Molekülen der Atmosphäre reagieren und einen Schauer aus sub-atomaren Teilchen auslösen.

Die H.E.S.S.-Kollaboration besteht aus mehr als 150 Wissenschaftlern aus Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Polen, Tschechien, Irland, Österreich, Schweden, Armenien, Südafrika und Namibia. Die vier H.E.S.S.-Teleskope (für „High Energy Stereoscopic System“) sind seit Anfang 2004 in Betrieb und haben seitdem schon zu vielen wichtigen Entdeckungen geführt, etwa dem ersten astronomischen Bild eines Supernova-Überrests in hochenergetischer Gammastrahlung sowie zum Fund einer großen Anzahl von Gammastrahlungsquellen in der galaktischen Ebene.

Das MAGIC-Teleskop (für „Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov“) steht auf dem Gelände des Roque de los Muchachos-Observatoriums auf der Kanareninsel La Palma und wird von einem internationalen Team von etwa 150 Wissenschaftlern aus Deutschland, Italien, Spanien, der Schweiz, Polen, Finnland, Kroatien, Bulgarien und den USA betrieben. Seit 2004 in Betrieb, hat MAGIC unter anderem die am weitesten entfernte Quelle hochenergetischer Gammastrahlung aufgespürt. Außerdem wurde mit der Anlage erstmals pulsierende Gammastrahlung von einem schnell rotierenden Neutronenstern im Krebsnebel nachgewiesen.

In Zukunft setzen die beiden Forschungsgruppen ihre erfolgreiche Zusammenarbeit im europäischen Projekt CTA („Cherenkov Telescope Array“) fort. Dieses Cherenkov-Observatorium der nächsten Generation wird aus etwa hundert Einzelteleskopen bestehen und eine um einen Faktor zehn verbesserte Messempfindlichkeit aufweisen als derzeitige Instrumente.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Dr. Werner Hofmann (Sprecher der H.E.S.S.-Kollaboration)
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Tel.: + 49 6221 516-330
E-Mail: werner.hofmann@mpi-hd.mpg.de
Dr. Masahiro Teshima (Sprecher der MAGIC-Kollaboration)
Max-Planck-Institut für Physik, München
Tel.: +49 89 32354-301
E-Mail: masahiro.teshima@mpp.mpg.de
Dr. Martin Raue
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Tel.: +49 6221 516-470
E-Mail: martin.raue@mpi-hd.mpg.de
Dr. Robert Wagner
Max-Planck-Institut für Physik, München
Tel.: +49 89 32354-546
E-Mail: robert.wagner@mpp.mpg.de
Dr. Bernold Feuerstein (Presse und Öffentlichkeitsarbeit)
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Tel.: +49 6221 516-281
E-Mail: info@mpi-hd.mpg.de
Silke Zollinger (Presse und Öffentlichkeitsarbeit)
Max-Planck-Institut für Physik, München
Tel.: +49 89 32354-292
E-Mail: silke.zollinger@mpp.mpg.de