Een gigantische telescoop – acht keer zo groot als de aarde – onthult een ongekend beeld van een enorme kosmische straal

Astronomen hebben ongekende beelden verkregen van plasmajets van een superzwaar zwart gat in Blazar 3C 279, waardoor complexe patronen aan het licht komen die de huidige theorieën ter discussie stellen. Deze internationale inspanning, waarbij gebruik wordt gemaakt van geavanceerde radiotelescoopnetwerken, heeft spiraalvormige filamenten gedetecteerd nabij de bron van de jets, wat wijst op een mogelijke rol van magnetische velden bij de vorming van deze jets. (Concept van de kunstenaar.)

Een telescoop groter dan de aarde heeft een plasmakabel in het universum gevonden.

Met behulp van een netwerk van radiotelescopen op aarde en in de ruimte konden astronomen het meest gedetailleerde beeld ooit vastleggen van een straalvliegtuig van… plasma Schieten vanuit supermassa Zwart gat In het hart van een sterrenstelsel ver, ver weg.

De straal, die afkomstig is van een verre gloeiende kern genaamd 3C 279, reist met bijna de snelheid van het licht en vertoont complexe kronkelende patronen nabij de bron. Deze patronen vormen een uitdaging voor de standaardtheorie die al veertig jaar wordt gebruikt om uit te leggen hoe deze stromen zich in de loop van de tijd vormen en veranderen.

Een belangrijke bijdrage aan de waarnemingen werd geleverd door het Max Planck Instituut voor Radioastronomie in Bonn, Duitsland, waar gegevens van alle deelnemende telescopen werden gecombineerd om een ​​virtuele telescoop te creëren met een effectieve diameter van ongeveer 100.000 km.

Hun bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Natuur astronomie.

Figuur 1: Verstrengelde filamenten in blazar 3C 279. Afbeelding met hoge resolutie van het relativistische vlak in deze bron, zoals waargenomen door RadioAstron. De afbeelding onthult een complexe structuur in het vlak, waarbij verschillende filamenten ter grootte van een parsec een spiraalvorm vormen. De collectie omvat gegevens van radiotelescopen over de hele wereld en vanuit een baan om de aarde, waaronder de 100 meter lange Effelsberg-radiotelescoop. De gegevens werden vervolgens verwerkt in het Correlatiecentrum van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie. Bron: NASA/DOE/FermiLAT-samenwerking; Vlba/Jorstad et al.; Radio Astron/Fuentes et al

Inzicht in de Blazars

Blazers zijn de helderste en krachtigste bronnen van elektromagnetische straling in het universum. Het is een subklasse van actieve galactische kernen die sterrenstelsels omvat met een centraal superzwaar zwart gat dat materie uit de omringende schijf verzamelt. Ongeveer 10% van de actieve galactische kernen, geclassificeerd als quasars, produceert relativistische plasmajets. Basars behoren tot een klein deel van de quasars waarin we deze jets vrijwel direct op de waarnemer kunnen zien gericht.

Onlangs heeft een team van onderzoekers, waaronder wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, Duitsland, het binnenste straalgebied in Blazar 3C 279 met een ongekende hoekresolutie in beeld gebracht en opmerkelijk regelmatige spiraalvormige filamenten ontdekt die mogelijk moeten worden herzien. modellen die tot nu toe zijn gebruikt om de processen te verklaren waarmee jets worden geproduceerd in actieve sterrenstelsels.

“Dankzij RadioAstron, de ruimtemissie waarbij de ronddraaiende radiotelescoop tot aan de maan reikte, en een netwerk van drieëntwintig radiotelescopen verspreid over de aarde, hebben we een beeld met de hoogste resolutie van het binnenste van een planeet verkregen. ” ‘Dankzij de sterrenjets die tot nu toe stromen, kunnen we voor het eerst de interne structuur van de jets zo gedetailleerd observeren’, zegt Antonio Fuentes, onderzoeker aan het Andalusische Astrofysisch Instituut (IAA-CSIC) in Granada, Spanje, die leiding geeft aan het werk.

Theoretische implicaties en uitdagingen

Het nieuwe venster op het universum dat werd geopend door de RadioAstron-missie heeft nieuwe details onthuld in de plasmastraal van 3C 279, een gloeier met een superzwaar zwart gat in de kern. De jet bevat ten minste twee gedraaide plasmafilamenten die zich ruim 570 lichtjaar vanuit het centrum uitstrekken.

‘Dit is de eerste keer dat we zulke filamenten zo dicht bij de bron van de jets hebben gezien, en het vertelt ons meer over hoe het zwarte gat het plasma vormt. De instroom is ook waargenomen door twee andere telescopen, GMVA en EHT, op veel kortere golflengten (3,5 mm en 1,3 mm), maar ze konden de draadvormige figuren niet detecteren omdat ze te zwak en te groot waren voor deze resolutie”, zegt Eduardo Ros, lid van het onderzoeksteam en Europees planner voor GMVA. “Dit laat zien hoe verschillende telescopen verschillende kenmerken van hetzelfde object kunnen onthullen”, voegt hij eraan toe.

Figuur 2: RadioAstron VLBI-observatie biedt een virtuele telescoop tot acht keer de diameter van de aarde (maximale basislijn 350.000 km). Krediet: Roscosmos

De plasmastralen die uit de blazers komen, zijn niet echt recht en uniform. Ze laten de wendingen zien die laten zien hoe het plasma wordt beïnvloed door de krachten rondom het zwarte gat. Astronomen die deze wendingen in 3C279, spiraalvormige filamenten genoemd, bestuderen, hebben ontdekt dat ze worden veroorzaakt door instabiliteiten in het plasma van de jet. Daarbij realiseerden ze zich ook dat de oude theorie die ze gebruikten om uit te leggen hoe stromen in de loop van de tijd veranderen, niet langer geldig was. Daarom zijn er nieuwe theoretische modellen nodig die kunnen verklaren hoe deze spiraalvormige filamenten zich vormen en evolueren nabij de oorsprong van de jet. Dit is een grote uitdaging, maar ook een geweldige kans om meer te leren over deze verbazingwekkende kosmische verschijnselen.

“Een bijzonder interessant aspect dat uit onze resultaten naar voren komt, is dat ze wijzen op de aanwezigheid van een spiraalvormig magnetisch veld dat de stroom beperkt”, zegt Guang-Yao Zhao, momenteel verbonden aan MPIfR en lid van het team van wetenschappers. “Daarom zou het magnetische veld, dat met de klok mee rond de jet draait in 3C 279, het plasma van de jet kunnen geleiden en richten, dat beweegt met een snelheid van 0,997 keer de snelheid van het licht.”

“Soortgelijke spiraalvormige filamenten zijn al eerder waargenomen in extragalactische jets, maar op veel grotere schaal, waarvan wordt aangenomen dat ze worden veroorzaakt doordat verschillende delen van de jet met verschillende snelheden bewegen en tegen elkaar aan scheren”, voegt Andrei Lobanov, een andere MPIfR-wetenschapper aan de ruimte, toe. team van onderzoekers. . “Met deze studie betreden we een geheel nieuw terrein waarin deze filamenten daadwerkelijk kunnen worden gekoppeld aan complexere processen in de directe omgeving van het zwarte gat dat de jets produceert.”

De studie van de interne stroming in 3C279, die nu verschijnt in het laatste nummer van Nature Astronomy, breidt de voortdurende zoektocht uit om de rol van magnetische velden in de initiële vorming van relativistische uitstromen uit actieve galactische kernen beter te begrijpen. Het benadrukt de vele uitdagingen die nog bestaan ​​voor de huidige theoretische modellering van deze processen en toont de noodzaak aan van verdere verbetering van radioastronomische instrumenten en technieken die een unieke mogelijkheid bieden om verre kosmische objecten met een standaard hoekresolutie in beeld te brengen.

Technologische vooruitgang en samenwerking

Met behulp van een speciale techniek genaamd Very Long Baseline Interferometry (VLBI) wordt een virtuele telescoop met een effectieve diameter gelijk aan de maximale afstand tussen de bij de waarneming betrokken antennes gecreëerd door gegevens van verschillende radioobservatoria te combineren en te correleren. RadioAstron-projectwetenschapper Yuri Kovalev, nu bij MPIfR, benadrukt het belang van internationale samenwerking op het gebied van de gezondheidszorg om dergelijke resultaten te bereiken: “Observatoria uit twaalf landen zijn gesynchroniseerd met de ruimteantenne met behulp van waterstofklokken, waardoor een virtuele telescoop ter grootte van de afstand tot de aarde is ontstaan. ” maan.”

“De experimenten met RADIOASTRON die hebben geleid tot beelden als deze van quasar 3C279 zijn buitengewone prestaties die mogelijk zijn gemaakt door internationale wetenschappelijke samenwerkingen met observatoria”, zegt Anton Zinsos, directeur van MPIfR en een van de drijvende krachten achter de RadioAstron-missie van de afgelopen twintig jaar. En wetenschappers in veel landen. De missie duurde tientallen jaren van gezamenlijke planning voordat de satelliet werd gelanceerd. Het vastleggen van de daadwerkelijke beelden wordt mogelijk gemaakt door grote telescopen op de grond, zoals de Eifelsberg, aan elkaar te koppelen en door een zorgvuldige analyse van de gegevens in ons VLBI-verbindingscentrum in Bonn.

Referentie: “Neamatische structuren als de oorsprong van jetradio-anisotropie” door Antonio Fuentes, Jose L. Gomez, José M. Martí, Manel Perocho, Guang Yao Zhao, Rocco Lecco, Andre P. Kovalev, Andrew Chell, Kazunori Akiyama, Katherine Bowman, He Sun, Ilji Zhu, Eftalia Traiano, Teresa Toscano, Rohan Dahalli, Marianna Fushi, Leonid I. Gurvits, Svetlana Jorstad, Jae-Young Kim, Alan B. Marcher, Yusuke. Mizuno, Eduardo Ros en Tuomas Savolainen, 26 oktober 2023, Natuur astronomie.
doi: 10.1038/s41550-023-02105-7

Meer informatie

De radio-interferometermissie van aarde naar ruimte, actief van juli 2011 tot mei 2019, bestaat uit een 10-meter radiotelescoop in een baan om de aarde (Spektr-R) en een reeks van ongeveer twintig van ’s werelds grootste radiotelescopen op de grond, waaronder de Effelsberg radiotelescoop 100 meter. Toen de signalen van de individuele telescopen werden gecombineerd met behulp van radiogolfinterferometrie, leverde deze groep telescopen een maximale hoekresolutie op die equivalent was aan die van een radiotelescoop met een diameter van 350.000 kilometer – ongeveer de afstand tussen de aarde en de maan. Dit maakt RadioAstron tot het instrument met de hoogste hoekresolutie in de geschiedenis van de astronomie. Het RadioAstron-project werd geleid door het Space Astronomy Center van het Lebedev Physical Institute van de Russische Academie van Wetenschappen en de Lavochkin Scientific Society en werd geproduceerd onder een contract met het staatsruimtevaartbedrijf ROSCOSMOS, in samenwerking met partnerorganisaties in Rusland en andere landen. De astronomische gegevens voor deze missie worden door individuele wetenschappers over de hele wereld geanalyseerd, wat leidt tot resultaten zoals die hier worden weergegeven.

De volgende medewerkers aan het ingezonden werk behoren tot MPIfR, in volgorde van verschijning in de auteurslijst: Guang-Yao Zhao, Andrei P. Lobanov, Yuri Y. Kovalev, Efthalia (Thalia) Traianou, Jae-Young Kim, Eduardo Ros, en Tuomas Savolainen. Medewerkers Rocco Lecco en Gabriele Bruni waren tijdens de missie van RadioAstron ook aangesloten bij MPIfR.

Joeri Y. Kovalev erkent de Friedrich Wilhelm Bessel Research Award van de Alexander von Humboldt Foundation.