Blazar - Blazar

Ein Blazar.
Künstlerische Darstellung eines Blazars

Ein Blazar ist ein aktiver galaktischer Kern (AGN) mit einem relativistischen Jet (ein Jet bestehend aus ionisierter Materie, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt ), die sehr nahe auf einen Beobachter gerichtet ist. Relativistische Beamen von elektromagnetischer Strahlung aus dem Strahl machen Blazaren viel heller erscheinen , als sie , wenn der Strahl in eine Richtung von der Erde weg gerichtet war sein würden. Blazaren sind starke Emissionsquellen über das elektromagnetische Spektrum und beobachten Quellen hochenergetischer seine Gammastrahlenphotonen . Blazare sind sehr variable Quellen, die in kurzen Zeiträumen (Stunden bis Tage) oft schnellen und dramatischen Helligkeitsschwankungen unterliegen. Einige Blazar-Jets weisen eine scheinbare Superluminal-Bewegung auf , eine weitere Folge davon, dass sich Material im Jet mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf den Beobachter zu bewegt .

Die Blazar-Kategorie umfasst BL Lac-Objekte und optisch stark veränderliche (OVV) Quasare . Die allgemein anerkannte Theorie besagt, dass BL Lac-Objekte intrinsisch energiearme Radiogalaxien sind, während OVV-Quasare intrinsisch starke radio-laute Quasare sind . Der Name "Blazar" wurde 1978 vom Astronomen Edward Spiegel geprägt , um die Kombination dieser beiden Klassen zu bezeichnen.

In Bildern im sichtbaren Wellenlängenbereich erscheinen die meisten Blazare kompakt und punktförmig, aber hochauflösende Bilder zeigen, dass sie sich in den Zentren elliptischer Galaxien befinden .

Blazare sind wichtige Forschungsthemen der Astronomie und der Hochenergie-Astrophysik . Die Blazar-Forschung umfasst die Untersuchung der Eigenschaften von Akkretionsscheiben und Jets , der zentralen supermassereichen Schwarzen Löcher und der umgebenden Wirtsgalaxien sowie der Emission hochenergetischer Photonen , kosmischer Strahlung und Neutrinos .

Im Juli 2018 verfolgte das Team des IceCube Neutrino-Observatoriums ein Neutrino, das im September 2017 seinen antarktischen Detektor traf, bis zu seinem Ursprungsort in einem 3,7 Milliarden Lichtjahre entfernten Blazar . Dies war das erste Mal, dass ein Neutrino-Detektor verwendet wurde, um ein Objekt im Weltraum zu lokalisieren.

Struktur

Sloan Digital Sky Survey Bild von Blazar Markarian 421 , das den hellen Kern und die elliptische Wirtsgalaxie zeigt

Blazare werden wie alle aktiven galaktischen Kerne (AGN) letztendlich von Material angetrieben, das auf ein supermassives Schwarzes Loch im Zentrum der Wirtsgalaxie fällt . Gas, Staub und gelegentlich auch Sterne werden eingefangen und spiralförmig in dieses zentrale Schwarze Loch gedreht, wodurch eine heiße Akkretionsscheibe entsteht, die enorme Energiemengen in Form von Photonen , Elektronen , Positronen und anderen Elementarteilchen erzeugt . Diese Region ist relativ klein, ungefähr 10 –3 Parsec groß.

Es gibt auch einen größeren undurchsichtigen Toroid, der sich mehrere Parsec vom Schwarzen Loch entfernt und ein heißes Gas mit eingebetteten Regionen höherer Dichte enthält. Diese "Wolken" können Energie aus Regionen, die näher am Schwarzen Loch liegen, absorbieren und wieder abgeben. Auf der Erde werden die Wolken als Emissionslinien im Blazar- Spektrum nachgewiesen .

Senkrecht zur Akkretionsscheibe trägt ein Paar relativistischer Jets hochenergetisches Plasma vom AGN weg. Der Jet wird durch eine Kombination aus intensiven Magnetfeldern und starken Winden von der Akkretionsscheibe und dem Toroid kollimiert . Im Inneren des Jets interagieren hochenergetische Photonen und Partikel miteinander und mit dem starken Magnetfeld. Diese relativistischen Jets können sich vom zentralen Schwarzen Loch bis zu mehreren Dutzend Kiloparsec erstrecken .

Alle diese Regionen können eine Vielzahl beobachteter Energie erzeugen, meist in Form eines nichtthermischen Spektrums, das von sehr niederfrequentem Radio bis hin zu extrem energiereichen Gammastrahlen reicht, mit einer hohen Polarisation (typischerweise einige Prozent) bei einigen Frequenzen. Das nichtthermische Spektrum besteht aus Synchrotronstrahlung im Radio- bis Röntgenbereich und inverser Compton-Emission im Röntgen- bis Gammabereich. Ein thermisches Spektrum mit Spitzen im ultravioletten Bereich und schwache optische Emissionslinien sind auch in OVV-Quasaren vorhanden, aber schwach oder nicht existent in BL Lac-Objekten.

Relativistisches Beamen

Die beobachtete Emission eines Blazars wird durch relativistische Effekte im Jet stark verstärkt , ein Prozess, der als relativistisches Beamen bezeichnet wird . Die Massengeschwindigkeit des Plasmas, aus dem der Jet besteht, kann im Bereich von 95 bis 99 % der Lichtgeschwindigkeit liegen, obwohl sich einzelne Teilchen mit höheren Geschwindigkeiten in verschiedene Richtungen bewegen.

Die Beziehung zwischen der im Ruhesystem des Jets emittierten Leuchtkraft und der von der Erde aus beobachteten Leuchtkraft hängt von den Eigenschaften des Jets ab. Dazu gehören, ob die Leuchtkraft von einer Stoßfront oder einer Reihe hellerer Blobs im Jet stammt, sowie Details zu den Magnetfeldern innerhalb des Jets und deren Wechselwirkung mit den sich bewegenden Partikeln.

Ein einfaches Strahlmodell veranschaulicht die grundlegenden relativistischen Effekte, die die Leuchtkraft im Ruhesystem des Jets S e mit der auf der Erde beobachteten Leuchtkraft S o verbinden : S o ist proportional zu S e  ×  D 2 , wobei D der Doppler . ist Faktor .

Bei genauerer Betrachtung sind drei relativistische Effekte beteiligt:

  • Relativistische Aberration trägt einen Faktor von D 2 bei . Aberration ist eine Folge der speziellen Relativitätstheorie, bei der Richtungen, die im Ruhesystem (in diesem Fall dem Jet) isotrop erscheinen, in Richtung der Bewegungsrichtung im Beobachtersystem (in diesem Fall der Erde) verschoben erscheinen.
  • Die Zeitdilatation trägt einen Faktor von D +1 bei . Dieser Effekt beschleunigt die scheinbare Freisetzung von Energie. Wenn der Jet in seinem eigenen Ruhesystem jede Minute einen Energiestoß aussendet, würde diese Freisetzung auf der Erde viel häufiger beobachtet werden, vielleicht alle zehn Sekunden.
  • Windowing kann einen Faktor von D –1 beitragen und wirkt dann, um die Verstärkung zu verringern. Dies geschieht für eine stetige Strömung, weil dann D weniger Fluidelemente innerhalb des beobachteten Fensters sind, da jedes Element um den Faktor D erweitert wurde . Für einen sich frei ausbreitenden Materialklumpen wird die Strahlung jedoch um das volle D +3 verstärkt .

Beispiel

Betrachten Sie einen Jet mit einem Winkel zur Visierlinie θ = 5° und einer Geschwindigkeit von 99,9 % der Lichtgeschwindigkeit. Die von der Erde aus beobachtete Leuchtkraft ist 70-mal größer als die emittierte Leuchtkraft. Wenn θ jedoch den Mindestwert von 0° hat, erscheint der Jet 600-mal heller von der Erde aus.

Wegbeamen

Relativistisches Beamen hat noch eine weitere kritische Konsequenz. Der Jet, der sich der Erde nicht nähert, wird aufgrund der gleichen relativistischen Effekte dunkler erscheinen. Daher erscheinen zwei intrinsisch identische Jets deutlich asymmetrisch. In dem oben gegebenen Beispiel wird jeder Jet mit θ > 35° auf der Erde als weniger leuchtend beobachtet als vom Rest des Jets.

Eine weitere Konsequenz ist, dass eine im Weltraum verstreute Population von intrinsisch identischen AGN mit zufälligen Jet-Orientierungen wie eine sehr inhomogene Population auf der Erde aussieht. Die wenigen Objekte, bei denen θ klein ist, haben einen sehr hellen Jet, während der Rest anscheinend deutlich schwächere Jets hat. Jene, bei denen θ von 90° abweicht, scheinen asymmetrische Strahlen zu haben.

Dies ist die Essenz hinter der Verbindung zwischen Blazaren und Radiogalaxien. AGN, deren Jets nahe der Sichtlinie zur Erde ausgerichtet sind, können sich stark von anderen AGN unterscheiden, selbst wenn sie an sich identisch sind.

Entdeckung

Viele der helleren Blazare wurden zuerst identifiziert, nicht als mächtige ferne Galaxien, sondern als unregelmäßig veränderliche Sterne in unserer eigenen Galaxie. Diese Blazare änderten wie echte irreguläre veränderliche Sterne ihre Helligkeit im Laufe von Tagen oder Jahren, jedoch ohne Muster.

Die frühe Entwicklung der Radioastronomie hatte gezeigt, dass es viele helle Radioquellen am Himmel gibt. Ende der 1950er Jahre reichte die Auflösung von Radioteleskopen aus, um bestimmte Radioquellen mit optischen Gegenstücken zu identifizieren, was zur Entdeckung von Quasaren führte . Blazare waren unter diesen frühen Quasaren stark vertreten, und die erste Rotverschiebung wurde für 3C 273 gefunden , einen stark variablen Quasar, der auch ein Blazar ist.

1968 wurde eine ähnliche Verbindung zwischen dem "variablen Stern" BL Lacertae und einer leistungsstarken Radioquelle VRO 42.22.01 hergestellt. BL Lacertae zeigt viele der Eigenschaften von Quasaren, aber das optische Spektrum enthielt keine Spektrallinien, die zur Bestimmung der Rotverschiebung verwendet wurden. Schwache Hinweise auf eine darunterliegende Galaxie – ein Beweis dafür, dass BL Lacertae kein Stern war – wurden 1974 gefunden.

Die extragalaktische Natur von BL Lacertae war keine Überraschung. 1972 wurden einige variable optische und Radioquellen zusammengefasst und als neue Klasse von Galaxien vorgeschlagen: Objekte vom Typ BL Lacertae . Diese Terminologie wurde bald zu "BL Lacertae Objekt", "BL Lac Objekt" oder einfach "BL Lac" abgekürzt. (Der letztere Begriff kann auch den ursprünglichen einzelnen Blazar bedeuten und nicht die gesamte Klasse.)

Ab 2003 waren einige hundert BL Lac-Objekte bekannt. Einer der nächsten Blazare ist 2,5 Milliarden Lichtjahre entfernt.

Aktuelle Ansicht

Blazare gelten als aktive galaktische Kerne mit relativistischen Jets, die nahe an der Sichtlinie des Beobachters ausgerichtet sind.

Die spezielle Jet-Ausrichtung erklärt die allgemeinen besonderen Eigenschaften: hohe beobachtete Leuchtkraft, sehr schnelle Variation, hohe Polarisation (im Vergleich zu Nicht-Blazar-Quasaren) und die scheinbaren superluminalen Bewegungen , die in den meisten Blazaren entlang der ersten Parsec der Jets festgestellt werden.

Ein Unified Scheme oder Unified Model hat sich allgemein durchgesetzt, wobei hochvariable Quasare mit intrinsisch starken Radiogalaxien und BL Lac-Objekte mit intrinsisch schwachen Radiogalaxien verbunden sind. Der Unterschied zwischen diesen beiden verbundenen Populationen erklärt den Unterschied in den Eigenschaften der Emissionslinien in Blazaren.

Andere Erklärungen für den relativistischen Jet/Unified-Scheme-Ansatz, die vorgeschlagen wurden, umfassen Gravitationsmikrolinsen und kohärente Emission vom relativistischen Jet. Keines davon erklärt die allgemeinen Eigenschaften von Blazaren. Mikrolinsen sind beispielsweise achromatisch. Das heißt, alle Teile eines Spektrums würden zusammen steigen und fallen. Dies wird bei Blazaren nicht beobachtet. Es ist jedoch möglich, dass diese Prozesse sowie die komplexere Plasmaphysik bestimmte Beobachtungen oder einige Details erklären können.

Beispiele für Blazare umfassen 3C 454,3 , 3C 273 , BL Lacertae , PKS 2155-304 , Markarian 421 , Markarian 501 und S5 0014+81 . Markarian 501 und S5 0014+81 werden wegen ihrer hochenergetischen (Teraelektronen-Volt-Bereich) Gammastrahlung auch "TeV Blazars" genannt. S5 0014+81 ist auch bemerkenswert für das massereichste jemals beobachtete Schwarze Loch mit 40 Milliarden Sonnenmassen.

Im Juli 2018 wurde ein Blazar namens TXS 0506+056 vom IceCube- Projekt als Quelle hochenergetischer Neutrinos identifiziert .

Siehe auch

Anmerkungen

Externe Links