Schnappschuss eines Winds, der einen gebündelten Gas-Jet speist

Ein Team von Astronomen aus Italien und Deutschland hat unter maßgeblicher Beteiligung des MPIA-Forschers Henrik Beuther zum ersten Mal Gasströme, die von einer Akkretionsscheibe ausgehen, direkt hin zu einem Jet nachgezeichnet, der Material in den freien Weltraum schleudert. Die vom INAF geleitete Studie bestätigt das durch die Magnetohydrodynamik erklärte Szenario von Scheibenwinden, die von Akkretionsscheiben um Objekte wie schwarze Löcher oder neu entstehende Sterne ausgehen. In der neuen Studie, die heute in Nature Astronomy veröffentlicht wurde, werden die Gasströmungen von der Scheibe um einen sich bildenden Stern bis zum Jet durch die Beobachtung von Wasserdauer sichtbar.

Viele astrophysikalische Objekte, wie supermassereiche schwarze Löcher, Sterne und riesige Gasplaneten, sind während ihrer Entstehung von Akkretionsscheiben umgeben und stoßen mächtige Jets aus. Diese Jets bestehen aus ionisiertem Gas, das entlang der Rotationsachse der Scheibe gebündelt wird. Die Verbindung zwischen Akkretion, dem Prozess, bei dem Gas auf Himmelsobjekte gelenkt wird, und dem Ausstoß ist für ihre Entstehung entscheidend. Sie kollabieren während des Prozesses der Gasakkumulation, was aufgrund der Drehimpulserhaltung zu sehr hohen Drehgeschwindigkeiten führt. Jets entziehen diesen Systemen Drehimpuls und sorgen so für eine anhaltende Akkretion auf das zentrale Objekt.

Mit der neuen Studie haben Astronomen aus Italien und Deutschland zum ersten Mal durch Beobachtungen Gaspakete entlang der Bahn des Gasflusses von der Akkretionsscheibe in den Jet verfolgt. Die rekonstruierten Stromlinien stimmen mit den Vorhersagen eines Prozesses überein, den Wissenschaftler vor 40 Jahren entwickelt haben: magnetohydrodynamische Scheibenwinde. Die Magnetohydrodynamik beschreibt die Bewegung von ionisiertem Gas, auch Plasma genannt, das durch ein Magnetfeld beeinflusst wird. Magnetohydrodynamische Scheibenwinde sind der vermutete Mechanismus, der einen Teil des Akkretionsstroms ablenkt und ihn entlang der Rotationsachse der Scheibe beschleunigt, während er einen doppelpoligen gebündelten Jet bildet.

Luca Moscadelli und Alberto Sanna, beide vom Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) in Florenz und Cagliari, Italien, Henrik Beuther vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), Heidelberg, André Oliva von der Universität Tübingen und Rolf Kuiper von der Universität Duisburg-Essen, alle drei in Deutschland, haben in das Herz eines neu entstehenden massereichen Sterns geschaut. Unter Astronomen trägt er die Bezeichnung IRAS 21078+5211. Mit Hilfe der Radiointerferometrie beobachteten sie eine bestimmte Emission von Radiowellen mit einer Frequenz von etwa 22 GHz oder einer Wellenlänge von 1,4 Zentimetern.

Diese Emission deutet auf die Existenz von geschocktem Wasserdampf hin, der in Sternentstehungsgebieten als heller natürlicher Maser – das Laseräquivalent im Mikrowellenbereich – zu beobachten ist. Wie Laser sind Maser intensive und stark gebündelte Strahlen im Radiofrequenzbereich. Die Wassermaser zeichnen die Gasbewegung nach, so dass das Team unmittelbar zwei Bewegungsmuster beobachten konnte, die für einen magnetohydrodynamischen Scheibenwind typisch sind: spiralförmige Bewegungen in der Nähe der Rotationsachse und ein mitrotierender Strom bei größeren Abständen.

Die Astronomen nutzten das globale Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Array mit 26 Radioteleskopen, die über Europa, Asien und die USA verteilt sind. Diese Stationen haben 24 Stunden lang gleichzeitig die Wassermaseremission in Richtung des entstehenden Sterns beobachtet. Diese Technik ermöglicht es, ein Riesenteleskop mit einem Durchmesser zu simulieren, der mit dem der Erde vergleichbar ist. Dadurch wird eine hohe Winkelauflösung erreicht, die der Beobachtung eines metergroßen Objekts auf dem Mond von der Erde aus entspricht. Diese Eigenschaft war wichtig, um die räumliche Verteilung der Wassermaser in der Nähe des entstehenden Sterns zu studieren.

Luca Moscadelli, der Hauptautor der neuen Studie, sagt: „Unsere Arbeit zeigt, dass die Very Long Baseline Interferometrie von Wassermasern in der Nähe von sich bildenden Sternen ein effektives Werkzeug sein kann, um die Physik von Scheibenwinden mit noch nie dagewesenen Details zu untersuchen. Wir haben neuartige Beobachtungen der Wassermaseremission durchgeführt, indem wir alle im VLBI-Netzwerk verfügbaren Teleskope einbezogen haben, um die Radiointerferometer der nächsten Generation zu simulieren, die die derzeitigen Empfindlichkeiten um mehr als eine Größenordnung verbessern werden.“

Bisher war der beste empirische Nachweis für magnetohydrodynamische Scheibenwinde die Bestimmung dessen, was Astronomen einen Geschwindigkeitsgradienten senkrecht zur Jetachse nennen. Diese Methode ist jedoch der neu angewandten Technik unterlegen, da sie nicht zwischen einzelnen Gasbahnen unterscheiden kann. Stattdessen erscheinen alle Bewegungen überlagert. Daher liefert sie nur indirekte Hinweise und ist anfällig für Fehlinterpretationen und systematische Fehler. Die Verfolgung der für einen magnetohydrodynamischen Scheibenwind typischen Stromlinien über die räumlichen Positionen und Geschwindigkeiten von Masern, d. h. Gaspaketen entlang der Strombahnen, ist ein viel überzeugenderer Beleg.

„Obwohl Wissenschaftler die Jets in der Theorie schon lange gut beschrieben haben, können wir mit diesen Daten zum ersten Mal die Gasverteilung entlang des Magnetfeldes im Detail beobachten und analysieren“, sagt Henrik Beuther vom MPIA. „Es ist toll zu sehen, wie gut Modellierung und Beobachtung zusammenspielen.“

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Originalpublikation:

Luca Moscadelli, Alberto Sanna, Henrik Beuther, André Oliva, Rolf Kuiper, „Snapshot of a magnetohydrodynamic disk wind traced by water maser observations“, Nature Astronomy (2022), DOI: 10.1038/s.41550-022-01754-4

Weitere Informationen:

https://www.mpia.de/aktuelles/wissenschaft/2022-13-diskwind – Pressemitteilung des MPIA mit weiteren Bildern und Videos