Der Quasar mit der Katalogbezeichnung PKS 1441+25 wurde mit dem MAGIC Teleskopsystem auf der Kanareninsel La Palma, mit den VERITAS Teleskopen in den USA und mit dem Satellitenobservatorium Fermi-LAT beobachtet. Die Ergebnisse des Forscherteams erscheinen in dieser Woche in der renommierten Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters.

PKS 1441+25 im Sternbild Bootes (der Bärenhüter) ist ein sieben Milliarden Lichtjahre entfernter Quasar. Er wurde nun als Quelle extrem energiereicher Gammastrahlung entdeckt und ist damit einer von beiden Entfernungs-Rekordhaltern unter den astronomischen Gammaquellen. Nicht nur die Entfernung der Quelle, sondern auch die Energie der beobachteten Gammaquanten ist unvorstellbar groß. Sie übertrifft die Energie sichtbaren Lichts um den Faktor 100 Millionen.

Ein Blick in das Mittelalter des Universums

Solche Gammaquanten können sich gerade noch ungehindert durch den Weltraum ausbreiten. Ist ihre Energie nur etwas größer, wechselwirken sie mit dem Sternenlicht im Weltraum und verwandeln sich in Paare von Teilchen und Antiteilchen. Dieser Effekt wurde tatsächlich nachgewiesen. Er bewirkt eine starke Krümmung der spektralen Energieverteilung. Die Krümmung stellt so etwas wie den Fingerabdruck der Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte der Sterne und Galaxien im Kosmos dar. Untersuchungen der Gammastrahlung von Quasaren wie PKS 1441+25 ermöglichen so einen Blick weit zurück in eine Zeit, in der die Erde noch nicht entstanden und das Universum erst halb so alt war wie heute.

Als im April 2015 das Large Area Telescope (LAT) auf dem Fermi-Satelliten der NASA eine Phase erhöhter Aktivität bei PKS 1441+25 registrierte, zögerten die Wissenschaftler der MAGIC Kollaboration nicht lange und richteten ihre Teleskope ebenfalls auf das Objekt.

“Die moderne Astrophysik ist heute mehr denn je zuvor darauf angewiesen, schnell auf besondere Ereignisse reagieren zu können und mit vielen verschiedenen Instrumenten Strahlung aus einem weiten Wellenlängenbereich zu registrieren. Bei MAGIC sind wir ideal auf solche Kampagnen vorbereitet, und die erfolgreichen Beobachtungen von PKS 1441+25 unterstreichen das in eindrucksvoller Weise”, erklärt Dr. Elina Lindfors (Universität Turku, Finnland) die bei MAGIC für die Beobachtungen von PKS 1441+25 verantwortlich zeichnete.

Ein gigantisches Schwarzes Loch, das rotiert

Abgesehen von der großen Entfernung sind die Beobachtungen von PKS 1441+25 auch deshalb von großem Interesse für die Astronomen, weil es sich um einen sogenannten Flachspektrum-Radioquasar handelt. Man geht davon aus, dass die enorme Leuchtkraft eines solchen aktiven Galaxienkerns durch ein gigantisches Schwarzes Loch verursacht wird. Die Schwerkraft zwingt umgebendes Gas, in das Schwarze Loch hinabzustürzen. Durch den dabei übertragenen Drehimpuls fängt das Schwarze Loch an zu rotieren. Es bildet sich eine Art magnetischer Kanone, die die Radioastronomen als Jet bezeichnen. Dort werden Teilchen sehr effizient auf hohe Energien beschleunigt und senden dabei Gammastrahlung aus.

Flachspektrum-Radioquasare gelten auch als mögliche Quellen der kurzfristig unter maßgeblicher Beteiligung der Arbeitsgruppe um Professor Wolfgang Rhode (TU Dortmund) mit dem IceCube Experiment am Südpol nachgewiesenen kosmischen Hochenergie-Neutrinos.

Physikalische Modelle für extreme Bedingungen

“Wie genau Teilchen in der Umgebung von Schwarzen Löchern zu höchsten Energien beschleunigt werden, und unter welchen Bedingungen dann Gammastrahlung und Neutrinos entstehen, gehört zu den spannendsten wissenschaftlichen Fragen unserer Zeit. Beobachtungen wie die von PKS 1441+25 liefern uns die Grundlage, um physikalische Modelle für extreme Bedingungen zu entwickeln. Schritt für Schritt erweitern wir so unser Wissen über das Universum”, so Professor Karl Mannheim, Inhaber des Lehrstuhls für Astronomie an der Universität Würzburg, der bereits vor über zwanzig Jahren theoretische Vorhersagen zur Entstehung von Neutrinos in aktiven Galaxienkernen veröffentlichte.

Die nächsten Schritte

Die Forscher planen nun weitere Untersuchungen von PKS 1441+25 und ähnlichen Objekten im Rahmen der kürzlich gegründeten regionalen Forschungszentren RAPP (Ruhr Astroparticle-Plasma Physics Center; Ruhr-Universität Bochum, TU Dortmund und Universität Duisburg-Essen) und WECAP (Würzburg-Erlangen Center for Astroparticle Physics; Universitäten Erlangen und Würzburg). Dabei sollen neben den MAGIC Teleskopen insbesondere auch die Neutrinodetektoren IceCube am Südpol und ANTARES/KM3NeT im Mittelmeer zum Einsatz kommen.

Unterstützung durch Schüler und Lehrer

Auch die nächste Generation von Astrophysikern ist bereits aktiv in die Forschungen eingebunden: Eine Gruppe von Schülern und Lehrern des Friedrich-Koenig-Gymnasiums Würzburg um Oberstudienrat Martin Feige und den erst kürzlich mit dem Klaus-von-Klitzing-Preis ausgezeichneten Oberstudienrat Christian Lorey führte zeitgleich mit MAGIC Messungen von PKS 1441+25 an der Hans-Haffner-Sternwarte in Hettstadt durch. Die durch die Schüler gewonnenen Daten zeigen die Aktivität des Quasars im Bereich des sichtbaren Lichts während des Gammastrahlen-Ausbruchs. Unterstützt wurden die Nachwuchsforscher – die als gleichberechtigte Ko-Autoren der Studie auftreten – dabei von Professor Karl Mannheim (Universität Würzburg) und Dr. Dominik Elsässer (TU Dortmund).

Das MAGIC Teleskopsystem

Das MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) Teleskopsystem befindet sich auf etwa 2200 Meter über dem Meer als Teil der europäischen Nordsternwarte am Roque de los Muchachos auf der Kanareninsel La Palma. Die beiden Teleskope des Systems haben jeweils einen Hauptspiegeldurchmesser von 17 Metern und messen mit weltweit einzigartiger Empfindlichkeit im Energiebereich zwischen 25 GeV und 50 TeV. Der Nachweis der Gammastrahlung geschieht dabei mittels der abbildenden Luftschauer-Cherenkovmethode über die Beobachtung von Wechselwirkungen der höchstenergetischen Teilchen in der Erdatmosphäre. MAGIC wird in einer internationalen Kollaboration von etwa 160 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von Instituten aus Deutschland, Spanien, Italien, der Schweiz, Polen, Finnland, Bulgarien, Kroatien, Indien und Japan betrieben.

Video zu den Beobachtungen von PKS 1441+25

Very High Energy γ-Rays from the Universe’s Middle Age: Detection of the z = 0.940 Blazar PKS 1441+25 with MAGIC. Published 2015 December 15, The Astrophysical Journal Letters, Volume 815, Number 2, http://iopscience.iop.org/article/10.1088/2041-8205/815/2/L23