Botschaften aus dem Mittelalter des Universums

MAGIC-Teleskope messen Gammastrahlung einer entlegenen Galaxie

Erstmals haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Gammastrahlung bei einer bekannten, weit entfernten Galaxie beobachtet. Im Zentrum der aktiven Galaxie PKS 1441+25 befindet sich ein massereiches schwarzes Loch, das von einer leuchtenden Materiescheibe umgeben ist.

Die Galaxie PKS 1441+25 gehört zur Gruppe der Quasare: Ein schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie zieht Materie an, wobei ein Teil davon in Form von zwei „Jets" mit Lichtgeschwindigkeit nach außen geschleudert wird. (Foto: M. Weiss/CfA)

Die aktuelle Beobachtung führt nicht nur zu einem besseren Verständnis aktiver Galaxien: Da das Licht von PKS 1441+25 etwa 7,6 Mrd. Jahre zur Erde unterwegs ist, erhoffen sich Forscher auch neue Erkenntnisse aus dem „Mittelalter" des Universums, das vor 13,8 Mrd. Jahren entstand.

PKS 1441+25 zählt zu den etwa 10 % aktiver Galaxien im Universum. Ihr gemeinsames Kennzeichen: Sie produzieren mehr Licht als sich allein mit der Helligkeit von Sternen und Staub erklären ließe. In ihrem Zentrum befindet sich ein supermassereiches schwarzes Loch, das fast so schwer ist wie 1 Mrd. Sonnen.

Die schwarzen Löcher üben eine starke Gravitationskraft auf die Materie in ihrer Umgebung aus. Bevor die Materie vom schwarzen Loch verschluckt wird, kreist sie als hell leuchtende Scheibe um den aktiven Kern. PKS 1441+25 gehört außerdem zur Klasse der extrem hellen Quasare: Bei diesen Objekten werden Elementarteilchen als so genannte Jets mit Lichtgeschwindigkeit ins All geschleudert, im Fall von PKS1441+25 Richtung Erde.

Galaxie mit großer Bandbreite
Mit dem MAGIC-Teleskop auf La Palma in Spanien beobachteten Wissenschaftler hochenergetische Gammastrahlen bei PKS 1441+25. Das Licht des Quasars erreicht die Erde nach etwa 7,6 Mrd. Jahren – die Galaxie befindet sich somit im „Mittelalter" des 13,8 Mrd. alten Universums.

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„Außer PKS 1441+25 kennen wir nur eine weitere so weit entfernte aktive Galaxie, bei der Gammastrahlen zu entdecken waren", erklärt Dr. Razmik Mirzoyan, Sprecher des MAGIC-Verbundes und Forscher am Max-Planck-Institut für Physik. „Auch diese Galaxie, B0218+357, haben wir mit MAGIC entdeckt und untersucht."

Die Beobachtung von PKS 1441+25 zeigte, dass die Aktivität des Quasars hochvariabel ist: Die energiereichsten Gammastrahlen-Emissionen lagen bei 250 GeV. Diese Ausbrüche waren bis zu 100 Mal stärker als das sonst beobachtete Gammastrahlenprofil. Die Gründe für diese große Bandbreite liegen noch im Dunklen.

Allerdings konnten die Wissenschaftler beobachten, wo der Ursprung der extrem heftigen Ausbrüche liegt. „Sie entstehen viele Milliarden Kilometer vom aktiven Kern entfernt", sagt Mirzoyan, "während die anderen Emissionen viel näher am Schwarzen Loch gebildet werden".

Scheinwerfer im kosmischen Nebel
Abgesehen von seinem ungewöhnlichen Verhalten ist der Quasar in einer weiteren sehr wichtigen Hinsicht interessant. Der Kosmos ist angefüllt mit diffusem extragalaktischen Hintergrundlicht. Dabei handelt es sich um die Lichtteilchen aller Sterne und Galaxien, die je im Universum existierten. Damit birgt der kosmische Nebel wichtige Informationen über die Vergangenheit des Universums.

Da sich von unserer Milchstraße aus kaum erschließen lässt, wie dicht das Hintergrundlicht ist, nutzen Astrophysiker eine indirekte Methode. Sie messen Gammastrahlen von entfernten Galaxien. Auf ihrem Weg zur Erde werden die hochenergetischen Strahlen abgeschwächt: Wenn sie auf ein Lichtteilchen treffen, wandeln sie sich in ein Elektron und ein Positron um – und sind damit für die Beobachtung verloren. Je dichter der Dunst, umso mehr Gammastrahlen werden vom Hintergrundlicht geschluckt.

„Für die exakte Bestimmung des extragalaktischen Hintergrundlichts sind Gammastrahlen weit entfernter Objekte erforderlich“, sagt Mirzoyan. „Mit PKS 1441+25 haben wir jetzt eine Gammaquelle ‚erwischt’, die zweimal so weit entfernt ist wie bisher untersuchte Objekte. Damit haben wir unsere bisherige Rekord-Beobachtungsreichweite aus dem Jahr 2007 verdoppelt* und erhalten Auskunft über den Zustand des Universums vor 7,6 Milliarden Jahren.“

Neue Physik bei noch energiereicheren Gammastrahlen?
Die aktuellen Messungen stehen im Einklang mit gängigen Modellen zur Entwicklung von Sternen und Galaxien. Mit 250 GeV liegt die Gammastrahlung von PKS 1441+25 in der passenden Größenordnung.

„Spannend wäre es gewesen, wenn wir Gammastrahlen mit wesentlich höheren Energien zum Beispiel ab etwa 1000 Gigaelektronenvolt gefunden hätten“, erläutert Mirzoyan. „Dann müssten wir unsere Modelle überdenken – oder davon ausgehen, dass wir es mit bisher unbekannten physikalischen Vorgängen zu tun haben, die dafür sorgen, dass mehr Gammastrahlen durch das kosmische Hintergrundlicht zu uns dringen.“

PKS 1441+25 im Visier: Ein Zusammenspiel verschiedener Instrumente
Entdeckt wurde die starke Gammastrahlung der aktiven Galaxie im April 2015, als der Quasar einen besonders starken Materiejet in Richtung Erde schleuderte. „Gesehen“ hat sie zunächst das LAT-Instrument des NASA-Satelliten Fermi. Dieser scannt den gesamten Nachthimmel in nur etwa drei Stunden.

Da Fermi nur den unteren Bereich des Gammastrahlenspektrums erfasst, wurde schnell das auf höhere Energien spezialisierte, erdgebundene Doppelteleskop MAGIC „zugeschaltet“. Der Ausbruch wurde später auch von den VERITAS-Teleskopen in Arizona, USA beobachtet. Insgesamt sammelte MAGIC Beobachtungsdaten über einen Zeitraum von zehn Tagen.

* Damals entdeckte MAGIC die Quelle 3C 279 bei einer Rotverschiebung von 0,536 (Science, 27. Juni 2008).

Publikation:
Very-high-energy rays from the universe's middle age: detection of the z = 0:940 blazar PKS 1441+25 with MAGIC; Astrophysical Journal Letters, http://iopscience.iop.org/article/10.1088/2041-8205/815/2/L23.

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