Kosmische Jets - Die gewaltigen Fontänen der schwarzen Löcher

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Schlafreise durch das Universum, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Kennst du schon unsere anderen Schlafreisereien wie Schlafreise durch vergessene Welten? Heute laden wir dich ein, mit uns durch eine der spektakulärsten und energiereichsten Erscheinungen des Kosmos zu reisen. Die kosmischen Jets.

0:26 Mach es dir bequem, schließe sanft deine Augen und lass dich treiben durch die Weiten des Universums, während wir gemeinsam den gigantischen Strahlen folgen, die aus den Herzen ferner Galaxien entspringen. Stell dir vor, du Schwebst weit draußen im intergalaktischen Raum. Um dich herum erstreckt sich die Samtene Schwärze des Alls, durchsetzt mit den sanften Lichtpunkten unzähliger Galaxien.

0:54 In der Ferne erkennst du eine besonders helle Galaxie, aus deren Zentrum etwas Außergewöhnliches entspringt. 2 leuchtende Strahlen, die sich in entgegengesetzte Richtungen erstrecken, Millionen von Lichtjahren weit in den Raum hinaus. Dies sind die kosmischen Jets und wir sind hier, um ihre Geheimnisse zu erkunden.

1:17 Kosmische Jets gehören zu den gewaltigsten und faszinierendsten Phänomenen im Universum, es handelt sich um gebündelte Ströme aus Materie und Energie, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus den Zentren aktiver Galaxien geschleudert werden. Diese Jets können sich über Distanzen erstrecken, die unsere Vorstellungskraft übersteigen, manchmal über mehrere Millionen Lichtjahre hinweg.

1:45 Um das in Perspektive zu setzen. Unsere gesamte Milchstraße hat einen Durchmesser von etwa 100000 Lichtjahren, ein kosmischer Jet kann also 20 mal länger sein als unsere gesamte Heimatgalaxie breit ist. Lass uns näher herangleiten an diese majestätische Galaxie. Ihr Zentrum leuchtet mit einem intensiven, fast blendenden Licht.

2:09 Hier, im Herzen dieser Galaxie, befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch, ein Gigant mit der Millionen oder sogar milliardenfachen Masse unserer Sonne. Dieses schwarze Loch ist von einer rotierenden Scheibe aus Gas und Staub umgeben, die wir Akkretionsscheibe nennen. Das Material in dieser Scheibe wird durch die immense Gravitation des Schwarzen Lochs angezogen und spiralt langsam nach innen, wobei es sich auf Millionen von Grad Celsius erhitzt.

2:41 Atme tief ein und aus, während wir uns diesem kosmischen Malstrom nähern, die Akkretionsscheibe leuchtet in allen Farben des Spektrums, von tiefroten bis zu violetten Tönen, während das Gas immer schneller rotiert. Aber nicht alles Material, das in die Nähe des Schwarzen Lochs gelangt, wird auch verschlungen. Ein kleiner Teil, etwa 10%, wird durch komplexe magnetische Prozesse nach oben snotchingumspus und unten senkrecht zur Akkretionsscheibe beschleunigt. Genau hier entstehen die Jets, die Mechanismen hinter der Entstehung dieser Jets sind eines der großen Rätsel der modernen Astrophysik.

3:27 Doch wir haben inzwischen ein recht gutes Verständnis entwickelt. Das schwarze Loch selbst rotiert und mit ihm rotiert auch das umgebende Magnetfeld. Dieses rotierende Magnetfeld wirkt wie ein gigantischer kosmischer Teilchenbeschleuniger. Geladene Teilchen, hauptsächlich Elektronen und Protonen, werden entlang der Magnetfeldlinien nach außen geschleudert, ähnlich wie Wasser aus einem Gartenschlauch.

3:59 Die Rotation des Schwarzen Lochs überträgt dabei einen Teil seiner gewaltigen Rotationsenergie auf diese Partikel. Dieser Prozess wurde erstmals in den 70er Jahren vom britischen Astrophysiker Roger Blantford. Und seinem Kollegen Roman Znayek theoretisch beschrieben der sogenannte Blandford znayek Mechanismus erklärt, wie die Rotationsenergie eines schwarzen Lochs in die kinetische Energie eines Jets umgewandelt werden kann.

4:32 Ein weiterer wichtiger Mechanismus ist der Blandford Pain Mechanismus, der beschreibt, wie Magnetfelder in der Akkretionsscheibe selbst Material nach außen schleudern können. Lass uns nun einem dieser Jets folgen, während er sich durch den Raum erstreckt. Wir gleiten sanft neben dem leuchtenden Strahl entlang, der sich mit etwa 90% der Lichtgeschwindigkeit durch das all bewegt. Die Geschwindigkeit ist so enorm, dass relativistische Effekte auftreten, die Zeit vergeht für die Teilchen im Jet anders als für uns und ihre Masse nimmt zu, je schneller sie werden.

5:12 Diese Geschwindigkeiten gehören zu den höchsten, die wir im Universum beobachten können. Der Jet ist nicht einfach nur ein gerader Strahl, bei genauerer Betrachtung erkennst du Strukturen und Variationen, manchmal erscheinen hellere Knoten entlang des Jets Bereiche, in denen das Material auf interstellares Gas trifft und dabei Schockwellen erzeugt.

5:38 Diese Schockwellen lassen das Gas aufleuchten und erzeugen intensive Strahlung über das gesamte elektromagnetische Spektrum von Radiowellen über sichtbares Licht bis hinzu Hochenergetischer Röntgen und Gammastrahlung. Die Energie, die in diesen Jets freigesetzt wird, ist unvorstellbar groß. Ein einzelner kosmischer Jet kann mehr Energie abgeben als alle Sterne in der gesamten Galaxie zusammen. Diese Energie stammt letztlich aus der Gravitationsenergie der in das schwarze Loch fallenden Materie und aus der Rotationsenergie des Schwarzen Lochs selbst. Es ist einer der effizientesten Energieumwandlungsprozesse im Universum, effizienter sogar als die Kernfusion in Sternen. Während wir weiter dem Jet

6:32 folgen, verlassen wir langsam die Galaxie. Der Jet durchdringt das intergalaktische Medium, den dünnen Nebel aus Gas, der den Raum zwischen den Galaxien ausfüllt, hier draußen, fernab der dichten Gaswolken der Galaxie, kann sich der Jet über gewaltige Distanzen ausbreiten, Wissenschaftler haben Jets entdeckt, die sich über mehr als 5000000 Lichtjahre erstrecken. Das ist mehr als 50 mal der Durchmesser unserer Milchstraße am Ende des Jets, dort, wo er schließlich auf dichteres, intergalaktisches Material trifft, bildet sich eine leuchtende Struktur, die wir als Jet Lobe oder Radiologbe bezeichnen.

7:20 Hier wird die kinetische Energie des Jets in Strahlung umgewandelt, besonders in Radiowellen. Diese Radiolobe können enorme Ausmaße erreichen und erscheinen in Radioteleskopen als gigantische, leuchtende Blasen beiderseits der Galaxie. Die Form dieser loben hängt davon ab, wie dicht das umgebende Medium ist und wie sich der Jet durch dieses Medium bewegt.

7:47 Atme ruhig weiter, während wir durch diese kosmische Landschaft gleiten. Die Jets sind nicht immer gerade. Manchmal beobachten wir gekrümmte oder sogar spiralförmige Jets. Dies kann verschiedene Ursachen haben, wenn sich die Galaxie bewegt oder wenn das schwarze Loch präzediert, also eine Art Taumelbewegung ausführt, kann der Jet wie aus einem bewegten Gartenschlauch in verschiedene Richtungen spritzen.

8:17 Das Ergebnis sind die wunderschönen, geschwungenen Strukturen, die wir manchmal beobachten. Ein besonders faszinierendes Beispiel für kosmische Jets finden wir in der Galaxie m 87, die sich im Virgo Galaxienhaufen befindet, etwa 55000000 Lichtjahre von uns entfernt. M 87 beherbergt eines der massereichsten bekannten schwarzen Löcher mit etwa 6,5 Milliarden Sonnenmassen.

8:46 Ja, du hast richtig gehört, die. Mehr als sechseinhalb Milliarden mal so massiv wie unsere Sonne aus dem Zentrum von m. 87 entspringt ein gewaltiger Jet, der sich über etwa 5000 Lichtjahre erstreckt und in Teleskopaufnahmen deutlich sichtbar ist. Dieser Jet wurde bereits im Jahr 1918 vom amerikanischen Astronomen Heber Curtis entdeckt, lange bevor wir verstanden, was er tatsächlich war. Das schwarze Loch im Zentrum von m. 87 wurde im Jahr 2019 durch das Event Horizon Telescope berühmt. Es war das erste schwarze Loch, von dem jemals ein direktes Bild aufgenommen wurde.

9:33 Auf diesem historischen Bild können wir die Akkretionsscheibe und den Beginn des Jets sehen, einen leuchtenden Ring um den dunklen Schatten des Schwarzen Lochs. Lass uns nun zu einem anderen bemerkenswerten Beispiel reisen, der Galaxie Centaurus A, die sich nur etwa 11000000 Lichtjahre von uns entfernt befindet und damit eine unserer nächsten Nachbargalaxien mit aktivem Kern ist.

10:02 Centaurus A zeigt uns ein besonders dramatisches Beispiel kosmischer Jets. Das Supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum dieser Galaxie hat etwa 55000000 Sonnenmassen und die Jets, die von ihm ausgehen, erstrecken sich über mehr als 1000000 Lichtjahre in den Raum hinaus. Was centaurus A besonders interessant macht, ist ihre komplexe Struktur. Die Galaxie zeigt deutliche Anzeichen einer vergangenen Kollision mit einer kleineren Galaxie. Ein dunkles Staubband zieht sich quer durch die Galaxie und ihre ungewöhnliche Form erzählt die Geschichte dieser kosmischen Begegnung.

10:46 Die Jets von Centaurus A wurden ausführlich in verschiedenen Wellenlängenbereichen untersucht. Von Radiowellen bis zu röntgenstrahl Strahlung und haben uns viel über die Physik dieser Phänomene gelehrt. Nicht alle kosmischen Jets stammen von supermassereichen schwarzen Löchern in Galaxienzentren es gibt auch kleinere Versionen, die von stellaren schwarzen Löchern produziert werden, also von schwarzen Löchern, die durch den Kollaps massereicher Sterne entstanden sind.

11:19 Diese stellaren schwarzen Löcher haben typischerweise nur einige wenige bis einige Dutzend Sonnenmassen, aber auch sie können Jets erzeugen, wenn sie Material von einem Begleitstern abziehen. Diese Jets sind natürlich viel kleiner als ihre galaktischen Gegenstücke, aber sie folgen denselben physikalischen Prinzipien.

11:43 Ein faszinierendes Beispiel ist das System SS 433, etwa 18000 Lichtjahre von uns entfernt. Hier umkreist ein schwarzes Loch oder möglicherweise ein Neutronenstern einen Begleitstern und zieht Material von ihm ab. Das abgeflossene Material bildet eine Akkretionsscheibe und senkrecht dazu werden 2 Jets ausgestoßen.

12:10 Das Besondere an SS 433 ist, dass das gesamte System präzediert es taumelt wie ein Kreisel mit einer Periode von etwa 163 Tagen. Dadurch zeichnen die Jets spiralförmige Muster in den Raum, ein kosmischer Wirbeltanz, der uns hilft, die Dynamik solcher Systeme besser zu verstehen. Atme langsam und gleichmäßig, während wir uns vorstellen, wie diese kosmischen Phänomene das Universum formen. Jets spielen nämlich eine wichtige Rolle in der Evolution von Galaxien und Galaxienhaufen, wenn ein Jet durch das intergalaktische Medium pflügt, heizt er das Gas auf und verhindert, dass es abkühlt und neue Sterne bildet dieser Prozess.

13:04 Den wir als AGN Feedback bezeichnen, wobei AGN für Active Galactic Nucleus, also aktiver Galaxienkern steht, ist ein wichtiger Mechanismus, der die Sternentstehung in großen Galaxien reguliert. Ohne dieses Feedback würden die massereichsten Galaxien viel mehr Sterne bilden, als wir tatsächlich beobachten. Die Jets und die durch sie erzeugte Energie verhindern, dass das gesamte verfügbare Gas in Sterne umgewandelt wird und schaffen so ein Gleichgewicht.

13:39 Es ist ein wunderbares Beispiel dafür, wie selbst die gewaltigsten und scheinbar destruktivsten Phänomene im Universum eine Regulierende, fast ausgleichende Rolle spielen können. Die Beobachtung kosmischer Jets erfordert Teleskope, die in verschiedenen Wellenlängenbereichen arbeiten. Radiowellen sind besonders nützlich, weil die Elektronen in den Jets durch Magnetfelder beschleunigt werden und dabei synchrotron Strahlung aussenden, eine Art von Strahlung, die hauptsächlich im Radiobereich des Spektrums liegt. Radioteleskope wie das very large Array in New Mexico oder das Atacama Large Millimeter Array in Chile haben uns atemberaubende Bilder kosmischer Jets geliefert, aber auch röntgenteleskope wie Chandra und

14:29 optische Teleskope wie Hubble haben wichtige Beiträge geleistet. In Röntgenstrahlung können wir besonders heiße Regionen sehen, wo Jets auf umgebendes Gas treffen und es auf Millionen von Grad aufheizen. Im optischen Bereich können wir manchmal sehen, wie Jets das Gas in ihrer Umgebung zum Leuchten bringen, ähnlich wie das Licht eines Leuchtturms die Dunkelheit durchbricht.

14:57 Eine der großen Herausforderungen beim Studium kosmischer Jets ist ihre enorme Größe und die damit verbundenen Zeitskalen. Ein Jet, der sich über Millionen von Lichtjahre erstreckt, verändert sich auf Zeitskalen, die weit über menschliche Lebensspannen hinausgehen. Selbst wenn wir Hunderte von Jahren beobachten würden, würden wir nur minimale Veränderungen sehen, weil das Licht von verschiedenen Teilen des Jets aus verschiedenen Epochen stammt. Dennoch haben Astronomen Veränderungen in einigen Jets beobachtet, besonders in den inneren Bereichen nahe dem schwarzen Loch, manchmal sehen wir helle Knoten, die sich entlang des Jets zu bewegen scheinen. Diese werden als superluminale Bewegung bezeichnet, weil sie scheinbar schneller als das

15:50 Licht sind. In Wirklichkeit bewegen sich diese Knoten natürlich nicht schneller als Licht, aber durch einen perspektivischen Effekt, wenn sich der Jet in einem flachen Winkel auf uns zubewegt, erscheint die Bewegung beschleunigt. Stell dir vor, du beobachtest einen Zug, der fast direkt auf dich zukommt, aber leicht seitlich versetzt. Der Zug legt in einer Minute einen Kilometer zurück, aber weil er auf dich zukommt, scheint er aus deiner Perspektive eine viel größere Strecke zurückzulegen. Ähnlich funktioniert die superluminale Bewegung bei Jets, eine optische Täuschung, die uns aber viel über die Geometrie und Geschwindigkeit der Jets verrät.

16:38 Lass uns nun über die verschiedenen Arten von Galaxien sprechen, die Jets produzieren. Galaxien mit aktiven Kernen und Jets werden allgemein als Active Galactic, Nuclei oder Rgn bezeichnet. Je nachdem, aus welchem Winkel wir sie betrachten, werden sie unterschiedlich klassifiziert, wenn wir fast direkt in einen der Jets hineinschauen, sehen wir einen Blazar, eine der hellsten und variabelsten Quellen am Himmel. Die Strahlung des Jets wird durch relativistische Effekte gebündelt und verstärkt, wenn er direkt auf uns gerichtet ist, was zu extremer Helligkeit führt. Wenn wir die Galaxie eher von der Seite betrachten, können wir die Jets als ausgedehnte Strukturen sehen, die sich vom Galaxienkern Weg erstrecken.

17:30 Solche Objekte werden oft als Radiogalaxien bezeichnet, weil sie besonders hell in Radiowellen leuchten. Und wenn wir die Galaxie von der Kante sehen, kann die dicke akkretionsscheibe unsere Sicht auf den Kern blockieren, und wir sprechen von Seifert, Galaxien oder bei noch stärkerer Verschleierung von verschleierten oder versteckten AGN. Diese verschiedenen Klassifikationen haben lange Zeit Verwirrung gestiftet.

17:58 Bis Astronomen erkannten, dass es sich im Grunde um dasselbe Phänomen handelt, nur aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet. Dies wird als Vereinheitlichungsmodell der Agn bezeichnet und ist ein elegantes Beispiel dafür, wie wissenschaftliches Verständnis scheinbar unterschiedliche Phänomene unter einem gemeinsamen Dach vereinen kann. Atme tief ein und lass die Weite des Universums auf dich wirken. Kosmische Jets sind Zeugen der extremsten physikalischen Bedingungen, die wir kennen.

18:33 Sie entstehen an den Grenzen dessen, was wir über Physik wissen, in der Nähe von schwarzen Löchern, wo Raum und Zeit so stark gekrümmt sind, dass unsere alltägliche Intuition versagt, sie tragen Material und Energie über intergalaktische Distanzen und beeinflussen die Struktur und Evolution des Universums. Auf den größten Skalen es ist bemerkenswert, wie sehr diese Jets auch unsere technologischen Fähigkeiten herausfordern, um sie zu verstehen, müssen wir Beobachtungen über das gesamte elektromagnetische Spektrum kombinieren, von Langwelligen Radiowellen bis zu hochenergetischer Gamma Strahlung, Wir müssen Computersimulationen durchführen, die die komplexe Wechselwirkung von Magnetfeldern.

19:24 Relativistischen Teilchen und Gravitation modellieren und wir müssen Theorien entwickeln, die Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie mit Quantenmechanik und Plasmaphysik verbinden. Die Erforschung kosmischer Jets hat in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht, neue Teleskope und verbesserte Detektoren erlauben es uns, diese Phänomene mit immer größerer Detailgenauigkeit zu beobachten. Das Event Horizon Telescope, eine Zusammenschaltung von Radioteleskopen über die ganze Erde verteilt, hat uns nicht nur das erste Bild eines schwarzen Lochs geliefert, sondern auch den Ursprung eines Jets mit beispielloser Auflösung gezeigt. Zukünftige Projekte wie das Square Kilometer Array, ein riesiges Radioteleskop Array,

20:17 das derzeit in Australien und Südafrika gebaut wird. Werden noch empfindlicher sein und uns erlauben, Jets in noch größeren Entfernungen und aus früheren Epochen des Universums zu studieren. Weltraumteleskope wie das James Webb Space Teleskop ergänzen diese Beobachtungen im Infrarot und optischen Bereich, während wir durch die Stille des Alls gleiten. Neben diesem leuchtenden Strahl aus Energie und Materie können wir über die Verbindungen nachdenken, die all diese kosmischen Phänomene mit uns eingehen, die Atome in unserem Körper, das Eisen in unserem Blut, der Sauerstoff, den wir atmen.

21:02 All das wurde in Sternen erschaffen und die großräumige Struktur des Universums, die Verteilung der Galaxien, die Bedingungen, unter denen unsere eigene Milchstraße entstehen konnte, all das wurde durch Prozesse beeinflusst, an denen auch Jets beteiligt waren. Es gibt eine tiefe poetische Wahrheit in der Erkenntnis, dass wir mit dem Universum verbunden sind, dass die gewaltigsten Phänomene des Kosmos und die zartesten Details unserer Existenz teil derselben großen Geschichte sind. Die Jets, die wir beobachten, existierten bereits, als das Universum noch jung war, Milliarden Jahre bevor es die Erde gab.

21:51 Sie haben die Entwicklung von Galaxien beeinflusst. Die Verteilung von Materie geformt, Bedingungen geschaffen, unter denen Sterne wie unsere Sonne entstehen konnten, und doch während wir durch diese kosmische Majestät reisen, während wir Jets folgen, die Millionen von Lichtjahren durch die Leere des Alls rasen, während wir über schwarze Löcher mit Milliarden Sonnenmassen nachdenken und über Energien, die alle Sterne einer Galaxie übertreffen.

22:22 Sollten wir einen Moment innehalten und an die Zerbrechlichkeit denken, die im Kontrast dazu steht, unsere Erde, dieser kleine blaue Punkt, wie Carl Sagan ihn nannte, ist einzigartig in ihrer Fähigkeit, Leben zu beherbergen. Soweit wir wissen, ist sie der einzige Ort im beobachtbaren Universum. An dem sich Leben entwickelt hat. Zumindest der einzige Ort, an dem wir es mit Sicherheit kennen.

22:54 Während kosmische Jets ihre zerstörerische und zugleich schöpferische Kraft über Millionen von Lichtjahren entfalten, während Schwarze Löcher ganze Sternensysteme verschlingen, ist unsere Welt ein Ort der Ruhe, der Stabilität, ein Refugium des Lebens im ansonsten lebensfeindlichen Kosmos. Die Perspektive, die wir durch die Betrachtung des Universums gewinnen, sollte uns demütig machen. Sie zeigt uns, wie außergewöhnlich selten und wertvoll die Bedingungen sind, die Leben ermöglichen, die dünne Atmosphäre, die uns vor kosmischer Strahlung schützt, das Magnetfeld, das den Sonnenwind ablenkt, die genau richtige Entfernung zur Sonne, die flüssiges Wasser ermöglicht. All diese Faktoren mussten

23:44 zusammenkommen, um die Welt zu schaffen, die wir kennen. In diesem Moment, während wir durch unsere Vorstellungskraft, durch die Weiten des Alls gleiten, können wir die Größe und Schönheit des Universums bewundern und zugleich die Verantwortung spüren, die wir für unseren kleinen Planeten tragen. Die kosmischen Jets erinnern uns an die gewaltigen Kräfte, die im Universum am Werk sind und.

24:12 Aber sie erinnern uns auch daran, wie besonders und schützenswert unsere Heimat ist. Gute Nacht und mögen deine Träume so weit sein wie das Universum selbst.