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„Jet (Astronomie)“ – Versionsunterschied

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Version vom 2. April 2026, 08:46 Uhr

Jet (Astronomie)

vgl. Aktiver Galaxienkern

Protostern mit Jet und Herbig-Haro-Objekt
Jet des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87

Ein kosmischer Jet beschreibt in der Astronomie einen gerichteten (kollimierten) Gas-Strom, meist von einem aktiven galaktischen Kern ausgehend. Manche Jets können sich über Lichtjahre hinausstrecken und mit beinahe Lichtgeschwindigkeit durch den Raum rasen, sie werden dann als relativistische Jets bezeichnet.

Entstehung

Jets entstehen, wenn ein Objekt Gas aus einer rotierenden Scheibe ansammelt (akkretiert). Nur ein Teil des Scheibengases erreicht das Objekt, der andere Teil strömt senkrecht zur Rotationsebene vom Objekt weg. Man spricht von bipolaren Jets, wenn sie zu beiden Seiten der Akkretionsscheibe austreten. Die Kollimation kommt entweder durch den Innenrand der Akkretionsscheibe geometrisch zustande oder durch magnetische Felder.[1]

Für die Entstehung von Jets sind magnetohydrodynamische Prozesse bedeutend, wobei die Details noch nicht vollständig verstanden sind. Jets werden immer im Zusammenhang mit Akkretion beobachtet, dem Einfall von Materie aus der zirkumstellaren Umgebung oder von einem Begleitstern auf einen kompakten Stern. Dabei wird der Drehimpuls aus einer Akkretionsscheibe mit einem hochkollimierten magnetischen Ausfluss effektiv abgeführt. Nach heutiger Vorstellung wird die Energie und der Drehimpuls aus der Scheibe durch ein magnetisches Drehmoment extrahiert, welches durch ein aufgewickeltes magnetisches Feld in der Akkretionsscheibe entsteht. Wenn der Inklinationswinkel klein genug ist, können magnetische Kräfte die Materie entlang der Feldlinien beschleunigen. Jenseits des Alfvénpunktes wird die Materie auch durch die Lorentzkraft beschleunigt. Die Kollimation des Jets wird durch magnetische Kräfte aufgrund der toroidalen Struktur des Magnetfelds bzw. durch einen höheren Gasdruck in der Korona der Akkretionsscheibe erreicht.[2][3]

Vorkommen

Jets kommen bei praktisch allen aus einer Scheibe akkretierenden Objekten vor, von Schwarzen Löchern (insbesondere in aktiven galaktischen Kernen) bis zu gerade entstehenden Protosternen. Die Jets von Quasaren können viele tausend Lichtjahre lang sein und sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen.

2024 wurde das bisher längste Jetpaar Porphyrion entdeckt, das von einem supermassereichen Schwarzen Loch in der Radiogalaxie J152932.16+601534.4 ausstrahlt. Die Radiostrahlung des 24 Mio. Lichtjahre langen Jetpaares zielt auf die nahegelegene Galaxie ab.[4]

Wenn Jets auf dichte interstellare Materie treffen, bilden sich Stoßfronten aus. Diese werden bei den Jets von Protosternen, T-Tauri-Sternen und Herbig-Ae/Be-Sternen Herbig-Haro-Objekte genannt.[5]

In der stellaren Astrophysik sind Jets auch bei wechselwirkenden Doppelsternsystemen wie symbiotischen Sternen, Röntgendoppelsternen und kataklysmischen Veränderlichen nachgewiesen worden.[6]

Scheinbare Überlichtgeschwindigkeit

Bei Jets, die sich dem Beobachter direkt oder schräg nähern, kann es scheinbar zu Überlichtgeschwindigkeit kommen. Wenn der Jet in einem Winkel von 45° zum Beobachter ausgestoßen wird, tritt dies bereits ab einer Jetgeschwindigkeit von c/2 (71 % der Lichtgeschwindigkeit) auf. Dies ist so zu erklären, dass das Licht des sich nähernden Jets eine immer kürzere Zeit benötigt, um zum Beobachter zu gelangen. Dadurch sieht es für den Beobachter so aus, als bewege sich der Jet in transversaler Richtung in kürzerer Zeit als in Wirklichkeit. (siehe: Überlichtgeschwindigkeit → Kosmische Jets)

Jets, die sich vom Beobachter entfernen, erscheinen entsprechend langsamer, da das Licht in diesem Fall einen immer längeren statt kürzeren Weg zurücklegen muss. Im Grenzfall rein transversaler Richtung kann ihre reale Geschwindigkeit beobachtet werden.[7]

Strahlung

Im Falle aktiver Galaxien sind die Wolken vor allem im Radiobereich gut messbar. Zehn aktive Galaxienkerne (hauptsächlich Blazare) wurden von den Teleskopen EGRET und COMPTEL des Compton Gamma Ray Observatory im hochenergetischen MeV- bis GeV-Bereich gemessen. Als Erklärung der Quelle dieser außergewöhnlich energiereichen Strahlung werden verschiedene Modelle diskutiert, u. a. die „niederenergetische“ Synchrotronstrahlung des Jets selbst, die durch den inversen Compton-Effekt durch Stoßprozesse mit hochenergetischen Jetelektronen in dieses Energieregime gestreut wird, oder aber Photonen, die von den Wolken in den Jet gestreut werden und dort ebenfalls eine Invers-Compton-Streuung zu höheren Energien erleiden.

Jets sind Quellen einer nicht isotropen Energieabstrahlung, da auf relativistische Geschwindigkeit beschleunigte Jets die meiste Energie in ihre Ausbreitungsrichtung abstrahlen. Nach aktuellen Hypothesen sind sowohl die langen Gamma Ray Bursts[8] als auch die Ultraleuchtkräftigen Röntgenquellen[9] keine isotropen Strahler mit Energien von bis 1052 erg (1045 J), sondern emittieren ihre nachgewiesene elektromagnetische Strahlung entlang einer Jetachse mit einer Ausdehnung von nur wenigen Grad.

Literatur

  1. ↑ A. Unsöld, B. Baschek: Der neue Kosmos. Springer Verlag, Berlin 2006, ISBN 978-3-540-42177-1.
  2. ↑ Somayeh Sheikhnezami et al.: Bipolar jets launched from magnetically diffusive accretion disks. I. Ejection efficiency vs field strength and diffusivity. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2012, arxiv:1207.6086v1.
  3. ↑ Christian Fendt, Somayeh Sheikhnezami: Bipolar jets launched from accretion disks. II. Formation of symmetric and asymmetric jets and counter jets. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2013, arxiv:1305.1263v1.
  4. ↑ Gigantische Plasmastrahlen eines Schwarzen Lochs überraschen Fachwelt. 18. September 2024, abgerufen am 22. November 2024.
  5. ↑ L. Hartmann: Accretion Processes in Star Formation (Cambridge Astrophysics). Cambridge University Press, Cambridge 2008, ISBN 978-0-521-53199-3.
  6. ↑ S. N. Shore, M. Livio, E. P. J. van den Heuvel, Astrid Orr, H. Nussbaumer: Interacting Binaries: Saas-Fee Advanced Course 22. Lecture Notes 1992. Swiss Society for Astrophysics and Astronomy (Saas-Fee Advanced Courses). Springer Verlag, Berlin 1993, ISBN 978-3-540-57014-1.
  7. ↑ P. Schneider: Einführung in die Extragalaktische Astronomie und Kosmologie. Springer Verlag, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-25832-2.
  8. ↑ Jens Hjorth: The supernova/gamma-ray burst/jet connection. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2013, arxiv:1304.7736v1.
  9. ↑ P. Esposito, S. E. Motta, F. Pintore, L. Zampieri and L. Tomasella: Swift observations of the ultraluminous X-ray source XMMUJ004243.6+412519 in M31. In: Astrophysics. Solar and Stellar Astrophysics. 2012, arxiv:1210.5099.


Galactic jets

https://en.wikipedia.org/wiki/Einstein_Observatory#Galactic_jets

Einstein detected jets of X-rays emanating from Centaurus A and M87 that were aligned with previously-observed jets in the radio spectrum.[1]

Astrophysical jet

The starburst galaxy Centaurus A, with its plasma jets extending over a million light years, is considered as the closest active radio galaxy to Earth. The 870-micron submillimetre data, from LABOCA on APEX, are shown in orange. X-ray data from the Chandra X-ray Observatory are shown in blue. Visible light data from the Wide Field Imager (WFI) on the MPG/ESO 2.2 m telescope located at La Silla, Chile, show the background stars and the galaxy's characteristic dust lane in close to "true colour".

An astrophysical jet is an astronomical phenomenon where ionised matter is expelled at high velocity from an astronomical object, in a pair of narrow streams aligned with the object's axis of rotation.[2] When the matter in the beam approaches the speed of light, astrophysical jets become relativistic jets as they show effects from special relativity.

Astrophysical jets are associated with many types of high-energy astronomical sources, such as black holes, neutron stars and pulsars. Their causes are not yet fully understood, but they are believed to arise from dynamic interactions within accretion disks. One explanation is that as an accretion disk spins, it generates a rotating, tangled magnetic field which concentrates material from the disk into the jets and then drives it away from the central object.[3] Jets may also be influenced by a general relativity effect known as frame-dragging.[4]

Most of the largest and most active jets are created by supermassive black holes (SMBH) in the centre of active galaxies such as quasars and radio galaxies or within galaxy clusters.[5] Such jets can exceed millions of parsecs in length.[3] Other astronomical objects that produce, or are caused by, jets include cataclysmic variable stars, X-ray binaries and gamma-ray bursts (GRB). Jets on a much smaller scale (~parsecs) may be found in star forming regions, including T Tauri stars and Herbig–Haro objects; these objects are partially formed by the interaction of jets with the interstellar medium. Bipolar outflows may also be associated with protostars,[6] or with evolved post-AGB stars, planetary nebulae and bipolar nebulae.

Relativistic jets

Elliptical galaxy M87 emitting a relativistic jet, as seen by the Hubble Space Telescope

Relativistic jets are beams of ionised matter accelerated close to the speed of light. Most have been observationally associated with central black holes of some active galaxies, radio galaxies or quasars, and also by galactic stellar black holes, neutron stars or pulsars. Beam lengths may extend between several thousand,[7] hundreds of thousands[8] or millions of parsecs.[3] Jet velocities when approaching the speed of light show significant effects of the special theory of relativity; for example, relativistic beaming that changes the apparent beam brightness.[9]

Massive central black holes in galaxies have the most powerful jets, but their structure and behaviours are similar to those of smaller galactic neutron stars and black holes. These SMBH systems are often called microquasars and show a large range of velocities. SS 433 jet, for example, has a mean velocity of 0.26c.[10] Relativistic jet formation may also explain observed gamma-ray bursts, which have the most relativistic jets known, being ultrarelativistic.[11]

Mechanisms behind the composition of jets remain uncertain,[12] though some studies favour models where jets are composed of an electrically neutral mixture of nuclei, electrons, and positrons, while others are consistent with jets composed of positron–electron plasma.[13][14][15] Trace nuclei swept up in a relativistic positron–electron jet would be expected to have extremely high energy, as these heavier nuclei should attain velocity equal to the positron and electron velocity.

Rotation as possible energy source

Because of the enormous amount of energy needed to launch a relativistic jet, some jets are possibly powered by spinning black holes. However, the frequency of high-energy astrophysical sources with jets suggests combinations of different mechanisms indirectly identified with the energy within the associated accretion disk and X-ray emissions from the generating source. Two early theories have been used to explain how energy can be transferred from a black hole into an astrophysical jet:

Relativistic jets from neutron stars

The pulsar IGR J11014-6103 with supernova remnant origin, nebula and jet

Jets may also be observed from spinning neutron stars. An example is pulsar IGR J11014-6103, which has the largest jet so far observed in the Milky Way, and whose velocity is estimated at 80% the speed of light (0.8c). X-ray observations have been obtained, but there is no detected radio signature nor accretion disk.[20][21] Initially, this pulsar was presumed to be rapidly spinning, but later measurements indicate the spin rate is only 15.9 Hz.[22][23] Such a slow spin rate and lack of accretion material suggest the jet is neither rotation nor accretion powered, though it appears aligned with the pulsar rotation axis and perpendicular to the pulsar's true motion. Vorlage:clear

Other images

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  • Illustration of the dynamics of a proplyd, including a jet
    Illustration of the dynamics of a proplyd, including a jet
  • Centaurus A in x-rays showing the relativistic jet
    Centaurus A in x-rays showing the relativistic jet
  • The M87 jet seen by the Very Large Array in radio frequency (the viewing field is larger and rotated with respect to the above image.)
    The M87 jet seen by the Very Large Array in radio frequency (the viewing field is larger and rotated with respect to the above image.)
  • Hubble Legacy Archive Near-UV image of the relativistic jet in 3C 66B
    Hubble Legacy Archive Near-UV image of the relativistic jet in 3C 66B
  • Galaxy NGC 3862, an extragalactic jet of material moving at nearly the speed of light can be seen at the three o'clock position.
    Galaxy NGC 3862, an extragalactic jet of material moving at nearly the speed of light can be seen at the three o'clock position.
  • Some of the jets in HH 24-26, which contains the highest concentration of jets known anywhere in the sky
    Some of the jets in HH 24-26, which contains the highest concentration of jets known anywhere in the sky

See also

References

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  1. ↑ Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag; kein Text angegeben für Einzelnachweis mit dem Namen nasa.
  2. ↑ J. H. Beall: A Review of Astrophysical Jets. In: Proceedings of Science. 2015, S. 58, doi:10.22323/1.246.0058, bibcode:2015mbhe.confE..58B (sissa.it [PDF; abgerufen am 19. Februar 2017]).
  3. ↑ a b c W. Kundt: A Uniform Description of All the Astrophysical Jets. In: Proceedings of Science. 2014, S. 58, doi:10.22323/1.246.0058, bibcode:2015mbhe.confE..58B (sissa.it [PDF; abgerufen am 19. Februar 2017]).
  4. ↑ James Miller-Jones: A rapidly changing jet orientation in the stellar-mass black-hole system V404 Cygni. In: Nature. 569. Jahrgang, Nr. 7756, April 2019, S. 374–377, doi:10.1038/s41586-019-1152-0, PMID 31036949, arxiv:1906.05400, bibcode:2019Natur.569..374M (soton.ac.uk [PDF]).
  5. ↑ J. H Beall: A review of Astrophysical Jets. In: Acta Polytechnica CTU Proceedings. 1. Jahrgang, Nr. 1, 2014, S. 259–264, doi:10.14311/APP.2014.01.0259, bibcode:2014mbhe.conf..259B.
  6. ↑ Star sheds via reverse whirlpool. In: Astronomy.com. 27. Dezember 2007, abgerufen am 26. Mai 2015.
  7. ↑ J. Biretta: Hubble Detects Faster-Than-Light Motion in Galaxy M87. 6. Januar 1999;.
  8. ↑ Evidence for Ultra-Energetic Particles in Jet from Black Hole. Yale University – Office of Public Affairs, 20. Juni 2006, archiviert vom Original am 13. Mai 2008;.
  9. ↑ V. Semenov, S. Dyadechkin, B. Punsly: Simulations of Jets Driven by Black Hole Rotation. In: Science. 305. Jahrgang, Nr. 5686, 2004, S. 978–980, doi:10.1126/science.1100638, PMID 15310894, arxiv:astro-ph/0408371, bibcode:2004Sci...305..978S (cern.ch).
  10. ↑ Katherine Blundell: Jet Velocity in SS 433: Its Anticorrelation with Precession-Cone Angle and Dependence on Orbital Phase. In: The Astrophysical Journal. 622. Jahrgang, Nr. 2, Dezember 2008, S. 129, doi:10.1086/429663, arxiv:astro-ph/0410457 (researchgate.net [abgerufen am 15. Januar 2021]).
  11. ↑ Hüsne Dereli-Bégué, Asaf Pe’er, Felix Ryde, Samantha R. Oates, Bing Zhang, Maria G. Dainotti: A wind environment and Lorentz factors of tens explain gamma-ray bursts X-ray plateau. In: Nature Communications. 13. Jahrgang, Nr. 1, 24. September 2022, ISSN 2041-1723, S. 5611, doi:10.1038/s41467-022-32881-1, PMID 36153328, PMC 9509382 (freier Volltext), arxiv:2207.11066, bibcode:2022NatCo..13.5611D (englisch).
  12. ↑ M. Georganopoulos, D. Kazanas, E. Perlman, F. W. Stecker: Bulk Comptonization of the Cosmic Microwave Background by Extragalactic Jets as a Probe of Their Matter Content. In: The Astrophysical Journal. 625. Jahrgang, Nr. 2, 2005, S. 656–666, doi:10.1086/429558, arxiv:astro-ph/0502201, bibcode:2005ApJ...625..656G.
  13. ↑ K. Hirotani, S. Iguchi, M. Kimura, K. Wajima: Pair Plasma Dominance in the Parsec-Scale Relativistic Jet of 3C 345. In: The Astrophysical Journal. 545. Jahrgang, Nr. 1, 2000, S. 100–106, doi:10.1086/317769, arxiv:astro-ph/0005394, bibcode:2000ApJ...545..100H.
  14. ↑ Electron–positron Jets Associated with Quasar 3C 279
  15. ↑ R. Naeye, R. Gutro: Vast Cloud of Antimatter Traced to Binary Stars. NASA, 9. Januar 2008;.
  16. ↑ R. D. Blandford, R. L. Znajek: Electromagnetic extraction of energy from Kerr black holes. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 179. Jahrgang, Nr. 3, 1977, S. 433, doi:10.1093/mnras/179.3.433, arxiv:astro-ph/0506302, bibcode:1977MNRAS.179..433B.
  17. ↑ R. Penrose: Gravitational Collapse: The Role of General Relativity. In: Rivista del Nuovo Cimento. 1. Jahrgang, 1969, S. 252–276, bibcode:1969NCimR...1..252P. Reprinted in: R. Penrose: "Golden Oldie": Gravitational Collapse: The Role of General Relativity. In: General Relativity and Gravitation. 34. Jahrgang, Nr. 7, 2002, S. 1141–1165, doi:10.1023/A:1016578408204, bibcode:2002GReGr..34.1141P.
  18. ↑ R. K. Williams: Extracting X-rays, Ύ-rays, and relativistic e−e+ pairs from supermassive Kerr black holes using the Penrose mechanism. In: Physical Review. 51. Jahrgang, Nr. 10, 1995, S. 5387–5427, doi:10.1103/PhysRevD.51.5387, PMID 10018300, bibcode:1995PhRvD..51.5387W.
  19. ↑ R. K. Williams: Collimated Escaping Vortical Polar e−e+Jets Intrinsically Produced by Rotating Black Holes and Penrose Processes. In: The Astrophysical Journal. 611. Jahrgang, Nr. 2, 2004, S. 952–963, doi:10.1086/422304, arxiv:astro-ph/0404135, bibcode:2004ApJ...611..952W.
  20. ↑ Chandra :: Photo Album :: IGR J11014-6103 :: June 28, 2012.
  21. ↑ L. Pavan: A closer view of the IGR J11014-6103 outflows. In: Astronomy & Astrophysics. 591. Jahrgang, 2015, S. A91, doi:10.1051/0004-6361/201527703, arxiv:1511.01944, bibcode:2016A&A...591A..91P.
  22. ↑ L. Pavan: The long helical jet of the Lighthouse nebula, IGR J11014-6103. In: Astronomy & Astrophysics. 562. Jahrgang, Nr. 562, 2014, S. A122, doi:10.1051/0004-6361/201322588, arxiv:1309.6792, bibcode:2014A&A...562A.122P (aanda.org [PDF]). Long helical jet of Lighthouse nebula page 7
  23. ↑ J. P. Halpern: Discovery of X-ray Pulsations from the INTEGRAL Source IGR J11014-6103. In: The Astrophysical Journal. 795. Jahrgang, Nr. 2, 2014, S. L27, doi:10.1088/2041-8205/795/2/L27, arxiv:1410.2332, bibcode:2014ApJ...795L..27H.
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