Radio Monitoring of the Changing-look AGN Mrk 590 I: VLA Observations Reveal A Bow-shock Driven Radio Brightening Event

Aktive Galaxienkerne sind die leuchtenden, energiereichen Herzen ferner Galaxien, die von supermassereichen Schwarzen Löchern angetrieben werden, welche das umgebende Gas und den Staub verschlingen. Während diese kosmischen Motoren normalerweise beständig sind, kann eine seltene Untergruppe, die als „Changing-Look“-aktive Galaxienkerne bekannt ist, dramatische Transformationen durchlaufen, indem sie plötzlich von hellen, aktiven Zuständen zu fast völliger Stille verblassen oder nach Jahren der Dormanz wieder aufflammen. Diese Veränderungen sind im sichtbaren Licht, im Ultraviolett und in Röntgenstrahlen gut dokumentiert, wo Astronomen direkt beobachten können, wie die Akkretionsscheibe – die wirbelnde Scheibe aus Material, die das Schwarze Loch speist – ihr Verhalten ändert. Die Radiowellen, die von densen Objekten emittiert werden, welche oft leistungsstarke Teilchenjets darstellen, die aus dem Schwarzen Loch herausgeschossen werden, sind jedoch ein Mysterium geblieben. Wissenschaftler haben sich lange gefragt, ob die Radiojets synchron mit der speisenden Scheibe reagieren oder ob sie nach ihrem eigenen, separaten Zeitplan operieren. Das Verständnis dieser Beziehung ist entscheidend, da es offenbart, wie Energie aus der unmittelbaren Umgebung eines Schwarzen Lochs in den riesigen Raum seiner Wirtsgalaxie transportiert wird.

In einer aktuellen Studie wandten Forscher ihre Aufmerksamkeit auf Mrk 590, einen Changing-Look-aktiven Galaxienkern, der berühmt über mehrere Jahrzehnte abgedunkelt war, bevor er im Jahr 2017 wieder zu erstrahlen begann. Um zu verstehen, was während dieses Übergangs mit seinen Radioemissionen geschah, nutzte das Team das Karl G. Jansky Very Large Array, ein massives Radioteleskop in New Mexico, um die Galaxie zu vier verschiedenen Zeiten zwischen 2015 und 2017 zu beobachten. Sie stellten das Teleskop so ein, dass es über einen weiten Bereich von Radiofrequenzen von 1 bis 17 Gigahertz „zuhörte“, um ein detailliertes Bild der Radioquelle der Galaxie zu erstellen. Was sie fanden, war ein kompakter, heller Kern, der sich im Laufe der Zeit signifikant veränderte. Im Jahr 2015 wies das Radiospektrum – die Art und Weise, wie sich die Helligkeit über verschiedene Frequenzen hinweg veränderte – einen deutlichen Hügel auf, was darauf hindeutete, dass die Radiowellen durch etwas in der Nähe absorbiert wurden. In den Jahren 2016 und 2017, als die Galaxie im sichtbaren Licht wieder zu erwachen begann, wurde die Radioquelle nicht nur heller; ihre Form änderte sich und nahm die Gestalt eines stetigen, ansteigenden Hangs an, was darauf hindeutete, dass eine neue, kraftvolle Energiequelle auftauchte.

Um herauszufinden, was diese Radioaufhellung antrieb, erstellte das Team hochentwickelte Computermodelle, um verschiedene physikalische Erklärungen zu testen. Sie erwogen zuerst, ob die Veränderungen durch das interstellare Medium unserer eigenen Milchstraße verursacht wurden, das manchmal wie eine Linse wirken kann, um ferne Radioquellen zu vergrößern. Die zeitliche Abfolge der Veränderungen war jedoch viel zu langsam für diesen Effekt, der normalerweise über Stunden und nicht über Monate abläuft. Sie testeten auch die Idee, dass ein Stern durch das Schwarze Loch zerrissen wurde, ein Ereignis, das als Tidal Disruption Event bekannt ist. Dies wurde ausgeschlossen, da die Radioaufhellung mindestens ein Jahr vor der Aufhellung des sichtbaren Lichts begann, während bei bekannten Tidal Disruption Events das Radiosignal immer dem Licht folgt. Die wahrscheinlichste Erklärung, die durch ihre statistische Analyse gestützt wird, ist, dass ein Bugstoß (Bow Shock) die Variabilität antreibt. Während der Radiojet der Galaxie nach außen drängt, prallt er gegen das dichte Gas der Wirtsgalaxie und erzeugt eine Schockfront, ähnlich der Bugwelle eines Wasserfahrzeugs vor einem schnellen Boot. Diese Kollision komprimiert Magnetfelder und beschleunigt Elektronen, wodurch ein frischer Ausbruch von Radiowellen generiert wird, der die beobachtete Aufhellung verursacht.

Die Forscher untersuchten auch, ob diese Radioaktivität direkt mit dem „Fressrausch“ des Schwarzen Lochs verknüpft war, der das Wiedererwachen der Galaxie im Jahr 2017 verursachte. Durch die Berechnung der Größe der Region, in der die Radioveränderungen stattfanden, stellten sie fest, dass sich diese weit entfernt von der zentralen Akkretionsscheibe selbst befand. Diese räumliche Trennung legt nahe, dass die Radioaufhellung und die optische Aufhellung nicht Teil desselben unmittelbaren Ereignisses sind. Während sich die Speisescheibe der Galaxie veränderte und im sichtbaren Licht aufleuchtete, erlebte der Radiojet ein separates, unabhängiges Ereignis, das durch seine Wechselwirkung mit dem umgebenden Gas der Galaxie angetrieben wurde. Dieser Befund unterstreicht die Vielfalt der Changing-Look-aktiven Galaxienkerne; im Gegensatz zu anderen Galaxien, in denen die Radio- und Lichtemissionen gemeinsam steigen und fallen, zeigt Mrk 590, dass diese unterschiedlichen Arten kosmischer Aktivität von distinkten Mechanismen angetrieben werden können. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass, obwohl das Schwarze Loch tatsächlich seinen Motor wieder hochfuhr, die Radiowellen, die wir sehen, eine andere Geschichte erzählen – eine Geschichte eines Jets, der durch die kosmische Landschaft stößt und seine eigenen Schockwellen erzeugt, unabhängig von den unmittelbaren Ernährungsgewohnheiten des Schwarzen Lochs.