Rund zwölf Millionen Lichtjahre von uns entfernt schleudert das supermassereiche Schwarze Loch der Galaxie Centaurus A zwei gewaltige Plasmastrahlen ins All – mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Diese sogenannten Jets sind an ihren Rändern heller als in ihrer Mitte. Warum, war bislang unklar, wurde durch ein Team des Lehrstuhls für Astronomie an der Universität Würzburg nun aber gelöst.
Centaurus A ist die der Erde nächstgelegene aktive Galaxie und ihr Schwarzes Loch ist etwa 60 Millionen Mal so schwer wie unsere Sonne. Gerade weil es so nah ist, können Astrophysikerinnen und Astrophysiker seine Jets besonders genau beobachten. Die Galaxie wird damit zu einem einzigartigen Labor für die extremsten Bedingungen im Universum.
Warum leuchten die Ränder von Centaurus A?
Eigentlich müsste ein Jet in seiner Mitte am hellsten sein. Doch Beobachtungen mit dem Event Horizon Telescope (EHT) zeigen das Gegenteil: Bei Centaurus A glühen vor allem die Ränder. Dieses Phänomen beschäftigt die Forschung seit Jahrzehnten.
Das Würzburger Team fand nun eine Erklärung im Verhalten des Plasmas, also des ionisierten Gases, aus dem die Jets bestehen. In den extrem starken Magnetfeldern des Jets bewegen sich schnelle Elektronen entlang der Feldlinien. Dadurch ändert sich die Art, wie sie Licht aussenden: Ihre Helligkeit hängt davon ab, wie das Magnetfeld ausgerichtet ist. Weil das Magnetfeld im Jet komplex geformt ist, entstehen so helle Ränder und ein vergleichsweise dunkler Kern – genau das Muster, das mit dem EHT beobachtet wurde.
„Centaurus A ist unser nächstgelegenes Fenster in die Physik relativistischer Jets“, sagt Felix Glaser, Masterstudent am Lehrstuhl für Astronomie und Erstautor der Studie. „Dass unser Modell die helle Randstruktur so gut nachbildet, zeigt: Wir haben offenbar einen wichtigen Baustein der Physik verstanden. Und dieser Mechanismus könnte nicht nur bei Centaurus A, sondern bei Jets im ganzen Universum eine Rolle spielen.“
Kleine Teilchen, riesige Wirkung
Besonders spannend ist, dass die Simulationen Prozesse auf winziger Teilchenskala mit Strukturen verbinden, die sich über mehrere Lichttage erstrecken. Sie reproduzieren nicht nur die helle Randstruktur, sondern stimmen auch mit den EHT-Aufnahmen bei einer Wellenlänge von 1,3 Millimetern außergewöhnlich gut überein.
„Es ist faszinierend, dass mikroskopische Plasmaeffekte Strukturen von gigantischer Größe prägen können“, sagt Dr. Christian Fromm, Leiter der Arbeitsgruppe Computational Astrophysics. „Künftige Teleskope werden noch mehr solcher Signaturen sichtbar machen. Deshalb müssen wir realistische Plasmaphysik schon heute in unsere Modelle einbauen.“
Die Studie hilft damit zu verstehen, wie Schwarze Löcher Teilchen auf enorme Energien beschleunigen und welche Strahlung dabei entsteht. Sie ist auch ein Beispiel für die Arbeit der DFG-Forschungsgruppe „Relativistic Jets in Active Galaxies“ (FOR 5195), die Beobachtungen, Simulationen und Plasmaphysik verbindet.
„Indem wir Beobachtungen, Simulationen und Plasmaphysik zusammenbringen, verstehen wir Schritt für Schritt, wie Schwarze Löcher ihre gewaltigen Jets erzeugen“, sagt Professor Matthias Kadler, Sprecher der Forschungsgruppe.
Bessere Teleskope für die Zukunft
Die Forschung zu Schwarzen-Loch-Jets steht vor einem neuen Zeitalter. Neue Millimeter-Teleskope, darunter das geplante Wetterstein Millimeter Telescope auf der Zugspitze, werden die Beobachtungen deutlich schärfer machen. Auch Großprojekte wie das next-generation Very Large Array und das Square Kilometre Array werden künftig noch detailliertere Einblicke ermöglichen.
„Ein Schwarzes Loch und ein Fusionsreaktor klingen nach völlig unterschiedlichen Welten – doch beide werden von der Physik des Plasmas bestimmt“, sagt Professor Karl Mannheim, Inhaber des Lehrstuhls für Astronomie der JMU. „An Centaurus A können wir Plasma unter Bedingungen studieren, die auf der Erde unmöglich herstellbar sind. Diese Erkenntnisse helfen nicht nur, das Universum zu verstehen, sondern können auch zur Entwicklung künftiger Fusionsenergie beitragen.“
Die Arbeit ebnet den Weg für eine neue Generation von Modellen, die die gewaltigsten Teilchenbeschleuniger des Universums besser verstehen lassen.
Originalpublikation
Felix Glaser u. a.: Probing anisotropic particle acceleration and limb brightening in Centaurus A’s jet, Astronomy & Astrophysics, 12. Oktober 2026, DOI: 10.1051/0004-6361/202660093
Weitere Informationen
DFG Forschungsgruppe “Relativistic Jets in Active Galaxies”
Event Horizon Telescope (EHT)
Contact
Dr. Christian M. Fromm, Lehrstuhl für Astronomie, T: +49 931 31-81981, christian.fromm@uni-wuerzburg.de