Ett internationellt samarbete som samlar över 200 forskare från 13 länder har visat att de mycket energirika gammastrålningsutsläppen från kvasarer, galaxer med en mycket energisk kärna, är inte koncentrerade i området nära deras centrala svarta hål, men egentligen, sträcker sig över flera tusen ljusår längs plasmastrålar. Denna upptäckt skakar om aktuella scenarier för beteendet hos sådana plasmastrålar. Arbetet, publiceras i tidskriften Natur den 18 juni, 2020, genomfördes som en del av H.E.S.S-samarbetet, som särskilt involverar CNRS och CEA i Frankrike, och Max Planck-sällskapet och en grupp forskningsinstitutioner och universitet i Tyskland.

Under de senaste åren, forskare har observerat universum med hjälp av gammastrålar, som är mycket högenergifotoner. Gammastrålar, bland de kosmiska strålarna som ständigt bombarderar jorden, härstammar från områden i universum där partiklar accelereras till enorma energier som är ouppnåeliga i människobyggda acceleratorer. Gammastrålar sänds ut av ett brett spektrum av kosmiska objekt som kvasarer, som är aktiva galaxer med en mycket energisk kärna.

Intensiteten på strålningen som emitteras från dessa system kan variera över mycket korta tidsskalor på upp till en minut. Forskare trodde därför att källan till denna strålning var mycket liten och belägen i närheten av ett supermassivt svart hål, som kan ha en massa flera miljarder gånger solens. Det svarta hålet tros sluka upp materia som spiralerar ner i det och skjuter ut en liten del av det i form av stora plasmastrålar med relativistiska hastigheter, nära ljusets hastighet, vilket bidrar till omfördelningen av materia över hela universum.

Med hjälp av H.E.S.S. observatorium i Namibia, ett internationellt astrofysiksamarbete observerade en radiogalax (en galax som är mycket lysande när den observeras vid radiovåglängder) i över 200 timmar med oöverträffad upplösning. Som den närmaste radiogalaxen till jorden, Centaurus A är gynnsam för forskare för en sådan studie, vilket gör det möjligt för dem att identifiera den region som sänder ut mycket högenergistrålning samtidigt som de studerar plasmastrålarnas bana. De kunde visa att gammastrålningskällan sträcker sig över ett avstånd på flera tusen ljusår.

Detta utökade utsläpp indikerar att partikelacceleration inte sker enbart i närheten av det svarta hålet, men även längs plasmastrålarnas hela längd. Baserat på dessa nya resultat, man tror nu att partiklarna återaccelereras av stokastiska processer längs strålen. Upptäckten tyder på att många radiogalaxer med utsträckta strålar accelererar elektroner till extrema energier och kan sända ut gammastrålar, möjligen förklarar ursprunget till en betydande del av den diffusa extragalaktiska gammabakgrundsstrålningen.

Dessa fynd ger viktiga nya insikter om kosmiska gammastrålare, och i synnerhet om radiogalaxernas roll som högeffektiva relativistiska elektronacceleratorer. På grund av deras stora antal, Det verkar som om radiogalaxer tillsammans ger ett mycket betydande bidrag till omfördelningen av energi i det intergalaktiska mediet. Resultaten av denna studie krävde omfattande observationer och optimerade analystekniker med H.E.S.S., det känsligaste gammastrålningsobservatoriet hittills. Nästa generations teleskop (Cherenkov Telescope Array, eller CTA) bör göra det möjligt att observera detta fenomen ännu mer i detalj.