Blasare

Was ist ein Blazar?
Markarian 501
Quantengravitation?
Denkste!

Was ist ein Blazar?

Es ist schon sehr beeindruckend, was dort in weiter Ferne geschieht: Da befindet sich im Zentrum einer elliptischen Riesengalaxie (die selbst aus der Verschmelzung zweier großer Galaxien entstand) ein höchst exotisches Gebilde, ein Schwarzes Loch, das manchmal so viel Masse beinhaltet wie Milliarden (!) von Sternen. Durch seine extreme Anziehungskraft zwingt das Gravitationsmonster alle Materie die ihm zu nahe kommt in eine rotierende Scheibe. Einem kosmischen Mahlstrom gleich wird hier durch radikale Reibung die geschundene Materie nicht nur ultrahoch erhitzt, sondern auch kompromisslos in ihre elementarsten Bestandteile zerlegt, bevor sie endgültig und für immer ins Schwarze Loch spiralt. Bei Temperaturen von vielen Millionen Grad strahlt das Gebilde im Röntgenlicht, ja sogar mit harter Gammastrahlung. Doch nicht alle Materie der Akkretionsscheibe vertilgt der Moloch!

Blickwinkel zu einem Jet
Blickwinkel zu einem Jet
Ein Teil der Substanz, die jetzt nur noch als Plasma vorliegt (geladene Teilchen, Elektronen, Protonen) wird entlang der Magnetfeldlinien bis in hochrelativistische Bereiche beschleunigt und schießt an den Polen als Jet heraus. Wenn dann dieser Jet- Strahl ziemlich genau (mit bis zu 15° Abweichung) in unsere Blickrichtung weist (siehe nebenstehende Skizze), so sehen wir quasi in einen kosmischen Gewehrlauf - das ist ein Blazar!

Um als Blazar (eingedeutscht auch Blasar) zu gelten, muss ein Objekt im Kosmos folgende Bedingungen erfüllen:

Meist liegen die Strahlungsschwankungen im Bereich von Tagen, was letztendlich bedeutet, dass die Größe der Strahlungsquelle nur Lichttage durchmisst. Den inneren, variierenden Bereich der Strahlung können wir sogar auf etwa die Größe unseres Planetensystems reduzieren!

Blazare sind eine Unterklasse der so genannten Aktiven Galaktischen Kerne (AGN, Aktive Galactic Nuklei), deren Aktivität allgemein durch ein extrem massereiches Schwarzes Loch hervorgerufen wird. Zu den AGN's zählt man Quasare mit schwachen Spektren im Radiobereich, optisch sehr stark schwankende Quasare (so genannte OVV- Quasare optically violent variable) die zudem hoch polarisiert sein können und so genannte BL Lac- Objekte, extragalaktische Sternsysteme mit hoher Kernaktivität und starken, schnellen Helligkeitsschwankungen. Der Name Blazar geht auf den amerikanischen Astrophysiker Edward A. Spiegel zurück, der ihn 1978 prägte um die beiden OVV- und BL Lac- Objekte zu benennen.

Cygnus A
Cygnus A

Die Galaxie Cygnus A (schwacher Punkt in der Bildmitte) in 700 Millionen Lichtjahren Entfernung zeigt uns zwei deutliche Jets, sie ist aber kein Blazar. Um als Blazar zu erscheinen, müsste einer der Jets direkt in unsere Richtung weisen und wir würden nur eine punktförmige Strahlungsquelle erfassen.


Markarian 501

Der wohl bekannteste Vertreter der Blazare ist der uns nächst gelegene Markarian 501 (Mrk 501) in 300 Millionen Lichtjahren Entfernung im Sternbild Herkules.

Blazar Markarian 501
Blazar Markarian 501

Benannt ist diese Galaxie nach Beniamin Markarian, einem georgischen Astronomen, der in den sechziger Jahren einen Katalog von hunderten solcher bläulich strahlenden weil heißen Galaxien aufstellte. Im Zentrum von Markarian 501 befindet sich ein sehr aktiver Kern als Quelle hochenergetischer Strahlung. Das radioastronomische Bild zeigt ein bemerkenswertes Detail: eine dramatische Drehung des Jets fast im rechten Winkel (dunkelblau), wofür es bislang noch keine Erklärung gibt.
Die recht kleinen Quellen intensiver Strahlung (10-3 Parsec) können auch von größeren (einigen Parsec) Gebilden heißen Gases umgeben sein. Worin sich dichte Gebiete ausbilden, wobei diese "Wolken" dann Energie aus dem Zentrum absorbieren und erneut wieder emittieren können. Als Emissionslinien können wir dann solche Wolken im Spektrum identifizieren.

Mit freundlicher Genehmigung von J.M. Wrobel and J.E. Conway, VLBA

Impressionen eines Blazars
Impressionen eines Blazars
Nicht jedes Schwarze Loch kann mit der Ausstrahlung von Jets glänzen, aber wenn, dann schießt ein Paar hochenergetischer, fast lichtschneller Plasmastrahlen aus beiden Polen viele Lichtjahre weit in den Raum. Nebenstehend eine künstlerische Darstellung. Blazare bieten uns dabei ein recht einheitliches Bild, betrachtet man sie durch ein Teleskop: Man sieht eine in allen denkbaren Wellenlängen strahlende, punktförmige Lichtquelle, die aber dominiert wird von hochenergetischer Gammastrahlung.

Für Astronomen sind Blazare daher gar nicht so leicht zu entdecken, da sie kaum von anderen AGN's zu unterscheiden sind. Aber die Natur hat ihnen ein Hintertürchen geöffnet: Wenn Teilchen bis auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, emittieren sie eine spezifische Signatur im Infrarotlicht. Diesen "Fingerabdruck" im Spektrum nutzen die Astronomen beispielsweise mit dem WISE- Instrument der NASA (Wide-field Infrared Survey Explorer), um den Blazaren auf die Schliche zu kommen. Mittlerweile hat man so schon über 200 neue Objekte entdeckt.

Mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL-Caltech

Ein unscheinbarer Lichtpunkt - aber ein Blazar
Ein unscheinbarer Lichtpunkt - aber ein Blazar

In diesem Foto sehen wir einen der vom WISE- Instrument entdeckten Blazare. Dieser kleine, unscheinbare Lichtpunkt ist in der Tat ein Jet, in den wir genau hinein sehen. Man mag es kaum glauben, aber dahinter verbirgt sich ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie. Wie kann man nun dieses "schwache Sternchen" als Blazar entlarven? Nun, Galaxien leuchten im Infrarotbereich in der Hauptsache durch ihren "kalten" Staub. Im Licht der Blazare aber findet sich eine charakteristische Synchrotronstrahlung, die nicht von der Wirtsgalaxie stammt, sondern durch die fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigten Partikel im Jet erzeugt wird.

Mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL-Caltech/Kavli


Quasare 3C273 und 3C279
Quasare 3C273 und 3C279

Bis zum Start des Compton- Satelliten im Juni 1991 kannte man eigentlich nur den "ersten" Quasar 3C273 als Quelle von Gammastrahlung. Compton entdeckte dann direkt in seiner Nähe den Quasar 3C279, eine noch wesentlich schwächere Quelle in 4 Milliarden Lichtjahren Distanz, die aber plötzlich einen Energieausbruch erlitt und damals zum hellsten Gammastrahler des Himmels wurde.

Mit freundlicher Genehmigung vom EGRET team, Compton Observatory (CGRO), NASA

Bereits 1992 konnte das Compton- Gammastrahlen- Observatorium dann hochenergetische Strahlung des ebenfalls relativ nahe gelegenen Blazars Markarian 421 anmessen. Schon damals erklärte man sich die hochenergetische Strahlung durch Elektronen und Protonen, die entlang der Magnetfeldlinien des Jets bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und dabei Synchrotronstrahlung emittieren. Zudem können diese ultraschnellen Teilchen mit normalen Photonen zusammenstoßen, wodurch letztere mit extrem hohen Energien aufgeladen wurden.

Im März 1997 konnten die Wissenschaftler dann zum ersten Mal sehen was passiert, wenn ein Blazar "Gas gibt". Markarian 501, eine sonst nur spärliche Quelle von Gammastrahlung, flammte plötzlich auf und übertraf um den Faktor 10 die Intensität des Krabben- Nebels, der stärksten konstanten Gammaquelle des Himmels, trotz
50 000fach größerer Entfernung.

Ein Spiegel von HEGRA
Ein Spiegel von HEGRA
Gemessen wurde dies mit HEGRA, (High Energy Gamma Ray Astronomy), einem System von 6 großen Spiegeln auf La Palma (Kanaren, linkes Bild). Die empfangenen Gammaphotonen hatten Energien von bis zu 22 [TeV] (Tera- Elektronvolt), das ist die billionenfache (1012!) Energie eines normalen Photons des sichtbaren Lichts, es ist die energiereichste jemals gemessene Strahlung.

Mit freundlicher Genehmigung der NASA


Quantengravitation?

Markarian 501 (Mrk 501) ist 456 Millionen Lichtjahre von uns entfernt, in dieser elliptischen Galaxie befindet sich eines der massereichsten Schwarzen Löcher, seine Masse beträgt zwischen o,9 und 3,4 Milliarden Sonnenmassen.

Markarian 501
Markarian 501

Die von hier empfangene Gammastrahlung variiert sehr stark, ist gekennzeichnet von gewaltigen Ausbrüchen. Das Spektrum zeigt zwei Spitzen, eine liegt unterhalb von 1 [keV] und kann mit Röntgenstrahlung assoziiert werden, den anderen peak finden wir über 1 [TeV]. Während eines Ausbruchs steigen Intensität und Frequenz deutlich an.

Mit dem MAGIC- Teleskop (Major Atmospheric Gamma Imaging Cerenkov Telescope), einem deutschen 17- Meter- Spiegel auf La Palma bekamen wir einen ersten Hinweis auf die mögliche Existenz der viel gesuchten Quantengravitation.

Schon lange ist man auf der Suche nach einer Vereinigung der Quantenphysik und der Relativitätstheorie, der so genannten Quantengravitation. Die Relativitätstheorie beschreibt die großräumigen Strukturen des Kosmos, eine gleichmäßige, glatte Raumzeit, die nur durch Materie gekrümmt wird. Die Quantenmechanik führt uns dagegen in eine Welt der winzigsten Skalen, Ausdehnungen unterhalb der Planck- Länge (10-35 [m]). Sind beide Theorien irgendwann vereinigt (die String- Theorien könnten einmal dazu führen), "sehen" wir einen wallenden Schaum aus fluktuierender Quantengravitation, eingebettet in das Auf und Ab der Raumzeit!

Hier werden seltsame Dinge geschehen: Sehr energiereiche Photonen könnten um einen kleinen Betrag abgebremst werden, γ- Photonen weisen eine sehr kleine Wellenlänge auf und könnten deshalb die Stöße der fluktuierenden Raumzeit spüren.

Eine kleine Kugel spürt die Unebenheiten
Eine kleine Kugel spürt die Unebenheiten

Man kann sich das an einem - etwas an den Haaren herbeigezogenen - Beispiel verdeutlichen. Rollt man eine Kugel über einen normalen Tisch, der ja stets mikrofeine Poren und Rillen hat, so wird sie eine definierte Strecke ebenso durchlaufen wie auf einem hochglanzpolierten Tisch ohne diese Oberflächenstruktur. Machen wir die Kugel jetzt aber mikroskopisch klein, so wird ihr Lauf von den Rillen und Poren sehr stark beeinflusst, sie muss diesen Unebenheiten folgen und dadurch eine größere Strecke durcheilen als die größere Kugel, um ans gleiche Ziel zu gelangen. Auf ähnliche Weise bekommen die extrem kurzen Wellenlängen der ultraharten Gammastrahlung die Rauigkeit der Quantengravitation zu spüren.

Nun hat man am 9. Juli 2005 bei einem Ausbruch von Mrk 501 Erstaunliches gemessen: Die höherenergetische Gammastrahlung, oberhalb von 1,2 [TeV], traf 4 Minuten später ein als die Strahlung im Bereich von 0,25 [TeV]. Diese Verzögerung (delay) könnte man sich der Theorie zufolge damit erklären, dass der Raum auf Quantenbasis größer ist, die "Gammaphotonen- Kugeln" also eine größere Strecke durchlaufen haben und sich deshalb "verspäteten". Nun, sicherlich wird man noch eine Reihe gleichartiger Beobachtungen machen müssen, um diese Theorie weiter zu festigen.

Markarian 421
Markarian 421
Markarian 421, ein weiterer Blazar. Die scheinbare Abbremsung der hochenergetischen Photonen wäre also in der Tat eine Folge der quantengravitativen Wirkung, scheinbar deshalb, weil natürlich auch die Gammaphotonen sich mit exakter Lichtgeschwindigkeit bewegen. Lediglich die größere Strecke, die sie überwinden müssen, täuscht eine geringere Geschwindigkeit vor.


Denkste!

Es wäre auch zu schön gewesen, wenn sich solche Messungen wiederholt hätten. Aber leider gab es bisher diese Bestätigung nicht. Im Gegenteil: Am 10. Mai 2009 empfingen NASA's Fermi Gamma ray Space Telescope und andere Experimente einen kurzen Gammastrahlen- Ausbruch (Gamma Ray Burst, GRB), GRB 090510. Wahrscheinlich sind in einer 7,3 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie 2 Neutronensterne miteinander kollidiert und haben den 2,1 Sekunden langen Burst ausgelöst. Auch hier empfing man Gammaphotonen unterschiedlicher Energien, eine um den Faktor 1 Million stärker als die andere. Beide trafen aber mit einem Abstand von nur 0,9 Sekunden ein - und das nach einer Reise von über 7 Milliarden Jahren. Damit gibt es dann keine Bestätigung einer schaumartigen Raumzeit auf Quantenebene - aber eine Bestätigung Einsteins Voraussage, dass die Raumzeit glatt ist auf allen Ebenen.

Weitere Informationen:
Probing quantum gravity using photons from a flare of the active galactic nucleus Markarian 501 observed by the MAGIC telescope
Blazar (Wikipedia)