Frühe Jet-Entstehung im Universum: Der Fall des Blazars OH 471

Einleitung

Das Verständnis, wie supermassereiche Schwarze Löcher (SMBHs) im frühen Universum die mächtigen, relativistischen Jets in aktiven galaktischen Kernen (AGNs) gestartet und geformt haben, ist ein zentrales Rätsel der Astrophysik. Diese Jets spielen eine entscheidende Rolle bei der Ko-Evolution von SMBHs und ihren Wirtsgalaxien über kosmische Zeiträume hinweg. Während frühere Studien sich auf AGNs in moderateren Entfernungen konzentrierten, bietet die Untersuchung von Objekten im frühen Universum, wie dem Blazar OH 471, eine einzigartige Gelegenheit, die Physik der SMBH-Akkretion und Jet-Bildung zu untersuchen, als das Universum noch viel jünger war. Diese Forschung befasst sich mit den Mechanismen hinter diesen frühen kosmischen Jets durch die Analyse des Blazars OH 471, der sich in einer signifikanten Rotverschiebung von z = 3,396 befindet.

Untersuchung des Jet-Startmechanismus

Um zu erforschen, wie Jets von SMBHs im frühen Universum gestartet werden, konzentrierten sich die Wissenschaftler auf den Blazar OH 471. Dieses Objekt ist ein Blazar mit hoher Rotverschiebung (z = 3,396), was bedeutet, dass es sich um eine Art aktiven galaktischen Kern handelt, dessen relativistischer Jet fast auf die Erde gerichtet ist. Die Untersuchung von OH 471 bietet einen Einblick in die Bedingungen der Jet-Bildung, als das Universum deutlich jünger war als heute. Die Forschung nutzte Mehrfrequenz-Radio-Monitoring-Beobachtungen und hochauflösende Very Long Baseline Interferometry (VLBI)-Bildgebung über einen Zeitraum von drei Jahrzehnten, um die Struktur und Variabilität von OH 471 im Milliarcseconden-Bereich zu untersuchen.

Radio-Variabilität und Jet-Struktur

Die Untersuchung der Radioflussdichten von OH 471 ergab ein Synchrotron-selbstabsorbiertes Spektrum, das auf starke Magnetfelder im kompakten Kern der Quelle hinweist. Durch die Analyse der spektralen Modellierung dieser Radioflussdichten konnten die Forscher den magnetischen Fluss schätzen, der vom Jet transportiert wird. Diese Schätzung ist entscheidend, da sie einen Vergleich mit theoretischen Vorhersagen für Jets ermöglicht, die durch die Spin-Energie des Schwarzen Lochs, insbesondere durch den Blandford-Znajek-Mechanismus, angetrieben werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich OH 471 in einem Zustand befindet, der als magnetisch arrestierte Scheibe (MAD) bekannt ist. In diesem Zustand reguliert die Ansammlung von magnetischem Fluss nahe dem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs den Akkretionsfluss und ermöglicht die effiziente Extraktion der Rotationsenergie des Schwarzen Lochs zur Stromversorgung des Jets.

Die Analyse von VLBI-Daten über mehrere Jahrzehnte lieferte Einblicke in die Struktur und Bewegung des Jets. Beobachtungen zeigten scheinbar überlichtschnelle Geschwindigkeiten, was darauf hindeutet, dass der Jet hochrelativistisch ist. Die Komponente J2, die sich sehr nahe am Kern befindet, zeigte eine Eigenbewegung, die dem 4,4-fachen der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Diese schnelle Bewegung unterstützt zusammen mit der langfristigen spektralen Entwicklung die Idee, dass Flares direkt mit der Ausstoßung neuer Jet-Komponenten aus dem zentralen Motor verbunden sind. Die zeitliche Assoziation zwischen dem Auftreten von Jet-Komponenten und Radio-Flares deutet auf eine direkte Verbindung zwischen Flare-Aktivität und dem Ausstoßen von Materie aus dem Kern hin.

Radiospektren und magnetischer Fluss

Das Langzeit-Monitoring des Radiospektrums von OH 471 hat eine signifikante Variabilität gezeigt, mit einer bemerkenswerten Entwicklung der Synchrotron-Selbstabsorptions-Turnover-Frequenz. Diese Variabilität, gekoppelt mit detaillierter spektraler Modellierung, ermöglichte es den Forschern, die Magnetfeldstärke und die Teilchendichten im Kernbereich abzuschätzen. Die Studie ergab, dass der magnetische Fluss des Jets die theoretischen Vorhersagen für Jets, die durch den Blandford-Znajek-Mechanismus angetrieben werden, erreicht oder sogar übertrifft – ein Prozess, der auf die Spin-Energie des Schwarzen Lochs angewiesen ist. Diese Beobachtung unterstützt nachdrücklich den MAD-Zustand für OH 471. Die geschätzten Werte des magnetischen Flusses des Jets wurden mit dem vorhergesagten magnetischen Fluss für einen MAD-Zustand verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass der abgeleitete magnetische Fluss des Jets den theoretischen MAD-Schwellenwert übersteigt, insbesondere während Perioden steigender Aktivität, was darauf hindeutet, dass sich der magnetische Fluss ausreichend angesammelt hat, um neue Jet-Ausstoßungsereignisse auszulösen. Dieser starke magnetische Fluss wird als treibende Kraft hinter dem mächtigen Jet angesehen, der von OH 471 beobachtet wird.

Darüber hinaus zeigte ein Vergleich des magnetischen Flusses von OH 471 mit einer Stichprobe von AGNs mit niedrigerer Rotverschiebung, dass OH 471 breit mit der etablierten Beziehung zwischen magnetischem Fluss des Jets und Mengen, die mit der Akkretionsrate und der Masse des Schwarzen Lochs zusammenhängen, übereinstimmt. Diese Konsistenz legt nahe, dass das Paradigma des magnetischen Flusses, das die Jet-Bildung erklärt, auch im frühen Universum anwendbar ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Prozesse, die mächtige Jets antreiben, universell sind und sich vom lokalen Universum bis zu früheren kosmischen Epochen erstrecken.

Schlussfolgerung

Die Untersuchung des Blazars OH 471 mit hoher Rotverschiebung liefert überzeugende Beweise dafür, dass der Akkretionsmodus der magnetisch arrestierten Scheibe (MAD) eine dominierende Rolle bei der Stromversorgung der prominenten Radio-Flares und relativistischen Jets spielt, die in radio-starken AGNs im frühen Universum beobachtet werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine starke Ansammlung von magnetischem Fluss nahe dem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs unerlässlich ist, um die Spin-Energie des Schwarzen Lochs effizient zu extrahieren und diese mächtigen Jets zu starten. Diese Forschung unterstreicht die Bedeutung der MAD-Akkretion für das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher und die Bildung der frühesten relativistischen Jets. Zukünftige statistische Studien größerer Stichproben von AGNs mit hoher Rotverschiebung sind erforderlich, um die Rolle der MAD-Akkretion bei der Gestaltung der frühen kosmischen Landschaft weiter zu bestätigen.

Original source: "https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/05/aa49934-24/aa49934-24.html"