Een internationaal onderzoeksteam van astronomen heeft onlangs aangekondigd dat ze met succes het al lang bestaande mysterie van een verre blazar PKS 1424+240 hebben opgelost, en verklaren waarom dit object nog steeds een van de helderste hoogenergetische gammastraling en kosmische neutrino's kan produceren die zijn waargenomen, ook al lijkt de straalbeweging langzaam te zijn. De relevante resultaten zijn op 6 juni gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics Letters.

PKS 1424+240 bevindt zich miljarden lichtjaren verwijderd van de aarde, maar is al lang bekend in de astronomische gemeenschap. Het is zowel een belangrijke bron van extreem hoogenergetische gammastraling als een van de helderste neutrinoblazars die momenteel aan de hemel bekend zijn. Het komt overeen met een van de meest prominente hoogenergetische pieken op de negenjarige neutrino-alleshemelkaart van het IceCube Neutrino Observatory. Het onderzoeksteam wees erop dat deze studie niet alleen betrekking heeft op een enkel hemellichaam, maar ook rechtstreeks verwijst naar een kernprobleem van de hedendaagse hoogenergetische astrofysica: hoe extreme kosmische objecten deeltjes versnellen tot extreem hoge energieën en tegelijkertijd extreem hoogenergetische fotonen en neutrino's produceren.

Een blazar is een soort actieve galactische kern waarvan het centrum wordt aangedreven door een superzwaar zwart gat. Terwijl het zwarte gat het omringende materiaal opslokt, werpt het plasmastralen uit met bijna de lichtsnelheid langs zijn rotatieas naar de polen. Vergeleken met andere actieve galactische kernen is het bijzondere aan blazars dat een van de jets bijna naar de aarde gericht is, waardoor deze uitzonderlijk helder lijkt in de gehele elektromagnetische band. Het biedt wetenschappers ook een natuurlijk ‘laboratorium’ om de meest extreme fysische processen in het universum te bestuderen. Sommige wetenschappers beschrijven PKS 1424+240 als het "Oog van Sauron" in de diepe ruimte, vanwege de geometrische structuur van het beeld en de jets die op de aarde zijn gericht.

Volgens theoretische verwachtingen gaan de helderste gammastralingsblazars vaak gepaard met straalstructuren die bij radiowaarnemingen zeer snel lijken te bewegen. Uit radiowaarnemingen van PKS 1424+240 bleek echter dat de jets ongewoon traag leken te zijn, een tegenstrijdigheid die onderdeel werd van een langlopend debat dat bekend staat als de "Doppler-factorcrisis". Om de waarheid te achterhalen heeft het onderzoeksteam vijftien jaar aan observatiegegevens verzameld en geanalyseerd van de Very Long Baseline Array (VLBA), die bestaat uit in totaal tien radioantennes in de continentale Verenigde Staten, Hawaï en St. Croix.

Wetenschappers gebruiken zeer lange basislijninterferometrie (VLBI)-technologie om gezamenlijk signalen te verwerken van radiotelescopen die over een groot gebied zijn verspreid, wat overeenkomt met het gebruik van een virtuele telescoop van "aardkaliber" om extreem hoge hoekresolutie te verkrijgen. Het team combineerde in totaal 42 radiobeelden met polarisatie-informatie verkregen tussen 2009 en 2025 om een ​​dieper en gedetailleerder beeld van het vliegtuig te krijgen dan ooit tevoren. Deze waarnemingen maken deel uit van het langetermijnproject MOJAVE (Monitoring Active Galactic Nucleus Jets with VLBA), dat tot doel heeft systematisch de helderheid, polarisatie en magnetische veldstructuur van actieve galactische jets te bestuderen om te begrijpen hoe activiteit nabij superzware zwarte gaten verband houdt met hoogenergetische straling en de productie van neutrino's.

"Toen we dit beeld reconstrueerden, was het ronduit verbluffend", zegt eerste auteur Yuri Kovalev, die het Mu SES-project leidt en nu verbonden is aan het Max Planck Instituut voor Radioastronomie. "We hebben nog nooit zo'n tafereel gezien: een straalvliegtuig dat bijna naar ons toe kijkt, vergezeld van een bijna perfecte ringvormige (ringvormige) magnetische veldstructuur." De resultaten laten zien dat de aarde vrijwel direct op de as van deze jet staat en dat de gezichtshoek minder dan 0,6 graden bedraagt. Met andere woorden: mensen kijken bijna recht in de straal in de richting.

Deze geometrische structuur werd de sleutel tot het oplossen van het mysterie. Omdat de straal bijna precies op de aarde is gericht, zal het Doppler-verhelderende effect in de relativiteitstheorie de schijnbare helderheid in onze richting aanzienlijk vergroten. Uit de studie bleek dat dit effect de straling ongeveer 30 keer kan versterken en er tegelijkertijd voor kan zorgen dat de jet langzamer lijkt te bewegen dan hij in werkelijkheid doet in radiobeelden vanwege het projectie-effect, waardoor een klassieke 'optische illusie' ontstaat. Co-auteur Jack Livingston, ook van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie, wees erop dat deze afstemming niet alleen de extreme toename van de helderheid verklaart, maar op natuurlijke wijze ook het al lang bestaande probleem oplost van "de jet is te langzaam".

Het bijna ‘frontale’ perspectief biedt wetenschappers ook een zeldzame kans om een ​​glimp op te vangen van de details van het magnetische veld in de jet. Met behulp van gepolariseerde radiosignalen ontdekte het team een ​​duidelijke ringvormige (donutvormige) magnetische veldcomponent in de jet, wat aangaf dat er een continue stroom in de jet loopt en dat het magnetische veld een belangrijke rol speelt in de emissie, collimatie en stabiliteit van de jet. De onderzoekers speculeren dat deze delicate magnetische structuur ook een van de belangrijkste mechanismen kan zijn die deeltjes versnelt die hoog genoeg zijn om hoogenergetische gammastraling en neutrino's te produceren.

"Het ontrafelen van dit probleem bevestigt verder dat actieve galactische kernen die superzware zwarte gaten bevatten, niet alleen krachtige versnellers zijn van hoogenergetische elektronen, maar ook natuurlijke fabrieken voor protonversnelling. Dit is de bron van de hoogenergetische neutrino's die we waarnemen." benadrukte Kovalev. Dit onderzoek maakt deel uit van het MuSES-project (Multi-Messenger High Energy Study), gefinancierd door de European Research Council, dat zich richt op het onderzoeken hoe actieve galactische kernen deeltjes versnellen en hun afdruk achterlaten in een verscheidenheid aan kosmische signalen zoals licht en neutrino's. De wetenschappelijke gemeenschap is over het algemeen van mening dat het uitzoeken van de precieze relatie tussen het protonversnellingsproces en de productie van neutrino's vandaag de dag nog steeds een van de belangrijkste onopgeloste problemen in de astrofysica is.

De nieuwste resultaten verklaren niet alleen waarom sommige blazars nog steeds extreem heldere, hoogenergetische straling kunnen uitzenden, ook al lijken de jets ‘langzaam’, maar versterken ook de verbinding tussen verschillende belangrijke fysieke elementen op een meer macroniveau: relativistische jets, magnetische veldstructuren, gammastraling en hoogenergetische neutrino’s. Het onderzoeksteam verklaarde dat deze ontdekking nieuwe aanwijzingen onthult voor het begrijpen van de krachtigste natuurlijke deeltjesversneller in het universum, en belangrijke verlichting biedt voor de multi-messenger-astronomie - door gezamenlijk meerdere 'boodschappers' zoals fotonen en neutrino's te analyseren, wordt van mensen verwacht dat ze de ware verschijning van extreme gebeurtenissen in het universum vollediger kunnen herstellen.