Blasare

Um als Blasar zu gelten, muss ein Objekt im Kosmos folgende Bedingungen erfüllen:

Was sagt uns dies nun? Sehr wahrscheinlich sind Blasare Objekte, sehr junge Galaxien, bei denen Materie durch die Einwirkung eines supermassiven zentralen Schwarzen Lochs in Form eines Jets mit fast Lichtgeschwindigkeit ins All geschossen wird, wobei der Jet- Strahl direkt auf uns gerichtet ist.

Die Galaxie Cygnus A (schwacher Punkt in der Bildmitte) in 700 Millionen Lichtjahren Entfernung zeigt uns zwei deutliche Jets, sie ist aber kein Blasar. Um als Blasar zu erscheinen, müsste einer der Jets direkt in unsere Richtung weisen.

Blasare sind eine Unterklasse der so genannten Aktiven Galaktischen Kerne (AGN, Aktive Galactic Nuklei), deren Aktivität allgemein durch ein supermassives zentrales Schwarzes Loch hervorgerufen wird. Zu ihnen zählt man Quasare mit schwachen Spektren im Radiobereich, optisch sehr stark schwankende Quasare die zudem hoch polarisiert sein können und so genannte BL Lac- Objekte, extragalaktische Sternsysteme mit hoher Kernaktivität und starken, schnellen Helligkeitsschwankungen. Darüber hinaus sind sie die Quelle der energiereichsten (Gamma-) Strahlung, die je im Universum gefunden wurde!

Der sicher bekannteste Vertreter dieser Galaxienklasse ist der uns nächst gelegene Blasar Markarian 501 in 300 Millionen Lichtjahren Entfernung im Sternbild Herkules.

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.

Astrophysiker haben sich viele Gedanken gemacht, welche Ursache einen Blasar plötzlich aufflammen und mehrere Tage lang riesige Energiemengen, vor allem in Form von Gammastrahlung, emittieren lässt. Es könnte sein, dass Blasare uns heute bereits in der Praxis vorführen, wonach die Wissenschaft schon lange sucht: Die Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantenmechanik!

So könnte es in einem frühzeitlichen galaktischen Zentrum aussehen. Ein supermassives Schwarzes Loch akkretiert Materie aus der Umgebung, aus den Polgegenden schießen Jets Millionen von Lichtjahren weit ins All.

Blasare erscheinen uns als solche, weil einer der Jets genau in unsere Richtung weist, so als würden wir direkt in einen Gewehrlauf sehen.

Mit freundlicher Genehmigung von NASA/Honeywell Max Q Digital Group, Dana Berry (beide Bilder)

Bereits 1992 konnte das Compton- Gammastrahlen- Observatorium hochenergetische Strahlung des ebenfalls relativ nahe gelegenen Blasars Markarian 421 anmessen. Man erklärte sich anfangs die hochenergetische Strahlung durch Elektronen und Protonen, die entlang der Magnetfeldlinien des Jets bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und dabei Synchrotronstrahlung emittieren. Oder diese Teilchen stießen mit normalen Photonen zusammen, wodurch letztere mit ultrahohen Energien aufgeladen wurden.

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.

Im März 1997 konnten die Wissenschaftler dann zum ersten Mal sehen was passiert, wenn ein Blasar Ernst macht. 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.

Gemessen wurde dies mit HEGRA (High Energy Gamma Ray Astronomy), einem System von 6 großen Spiegeln auf La Palma, Kanarische Inseln. 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.

Nun stehen wir allerdings vor einem Problem: diese Photonen dürften die Erde gar nicht erreichen!

Photonen mit der gigantischen Energie von 20 [TeV] kommen im Weltall nicht weit: Sie kollidieren mit den Photonen des kosmischen Infrarot- Hintergrundes und bilden ein Elektron und ein Positron. Der IR- Hintergrund stammt von den Sternen und heißem interstellarem Staub. Markarian 501 und 401 sind aber 300 Millionen Lichtjahre von uns entfernt! Die Photonen müssten eigentlich unterwegs vernichtet werden.

Man stellt sich heute vor, dass γ- Photonen sich unter bestimmten Bedingungen zu einem Bose- Einstein- Kondensat vereinen können, einer dicht gepackten Zusammenballung von Photonen niedriger Energie, die alle dieselbe Position haben. Genau dieses sollte mit Licht (auch bei γ- Photonen sprechen wir von Licht) geschehen, das von einem Super- Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, Lichtverstärkung durch angeregte Strahlung) emittiert wird. Einem Laser, der weit effizienter ist als er jemals auf der Erde herzustellen wäre. Es gibt solche Laser! In manchen aktiven Galaxien regen Röntgenstrahlen Wasserdampfwolken dazu an, ein Mikrowellen- Laserlicht zu emittieren. Das Universum ist mit Milliarden solcher Laser übersät. So ist es durchaus vorstellbar, dass Gruppen angeregter Atome in den Jets von Blasaren sich gegenseitig zur Lichtemission stimulieren.

Auch auf der Erde können wir von einigen Elementen Bose- Einstein- Kondensate erzeugen. Bei einer Temperatur von 2 Milliardstel [K] über den absoluten Nullpunkt kondensieren hier 2000 Rubidiumatome zu einem Superatom von 20 [µm] Durchmesser. Sie verhalten sich völlig gleichartig, jedes Atom hat identische Eigenschaften und alle befinden sich auf niedrigstem Energieniveau. Es ist sozusagen ein "Superatom" entstanden. Zu sehen ist die Dichteverteilung, gemessen mit einem Laser. Rot ist die niedrigste Dichte, dann folgen gelb, grün, blau und weiß. Etwas Ähnliches könnte auch mit den Photonen eines Blasars geschehen, wie oben beschrieben.

Markarian 421, ein weiterer Blasar. Könnte auch diese punktförmige Gammaquelle ein gigantischer kosmischer Laser sein, bei dem Photonen ein Bose- Einstein- Kondensat bilden? Wir wissen es (noch) nicht.

Ein Blasar wäre somit imstande, ein Bose- Einstein- Kondensat von vielleicht 20 identischen γ- Photonen, jeweils mit einer Energie von 1 [TeV], auszusenden. Weil jedes einzelne Photon dieses Kondensats relativ wenig Energie besitzt, kann es ungehindert den IR- Hintergrund passieren. Angekommen in der Erdatmosphäre sehen wir dann ein Signal von 20 [TeV].

Die vorgenannte Erklärung eines natürlichen Superlasers klingt nun schon recht exotisch. Doch es bietet sich eine noch viel phantastischere Möglichkeit an, wenn sie zutrifft, könnte eine völlig neue Physik die Hochernergiewelt beschreiben.

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- Theorie könnte 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, also nicht mehr exakt mit Lichtgeschwindigkeit fliegen! Energiereiche γ- Photonen weisen eine sehr kleine Wellenlänge auf und können deshalb die Stöße der fluktuierenden Raumzeit spüren.

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 die gleiche Geschwindigkeit haben 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 wird dadurch abgebremst. Auf ähnliche Weise bekommen die extrem kurzen Wellenlängen der ultraharten Gammastrahlung die Rauhigkeit der Quantengravitation zu spüren.
Nicht nur die Abbremsung der hochenergetischen Photonen wäre eine Folge der quantengravitativen Wirkung, sondern auch, dass sie nicht mit den Photonen des IR- Hintergrundes kollidieren. Man hat berechnet, dass die im Bereich von 10^-35 [m] (Planck- Länge) wirksame Quantengravitation es den 20 [TeV]- Photonen tatsächlich ermöglichen würde, problemlos den IR- Hintergrund zu überwinden und damit zur Erde gelangen.

Die quantengravitative Wirkung könnte auch die Erklärung für ein anderes kosmisches Rätsel sein. Manchmal werden sehr energiereiche Protonen von mehr als 10²⁰ [eV] in unserer Atmosphäre entdeckt, die nur von entfernten aktiven Galaxien stammen können. Aber auch sie dürften erst gar nicht hier ankommen! Protonen dieser Energie sollten eigentlich von der kosmischen Mikrowellen- Hintergrundstrahlung ausgelöscht werden.

Trotz der sehr unterschiedlichen Energieskalen ließen sich beide Phänomene - hochenergetische Photonen und γ- Quanten von Markarian 501 - mit der Rauhigkeit der Raumzeit erklären.

Wir haben heute noch keine Theorie der Quantengravitation, doch könnte uns die Natur schon bald einen weiteren Nachweis ihrer Existenz liefern. Wenn es nämlich in einigen Jahren gelingt, mit hinreichend genauen Detektoren die Gamma- Bursts exakt zu analysieren. Stimmt die Theorie, dann sollten die 20 [TeV]- Photonen eines solchen Bursts etwas später bei uns eintreffen als die übrigen, weil sie die vielleicht wirklich existierende Rauhigkeit der Raumzeit spüren und sich etwas langsamer als das Licht ausbreiten.

Man darf dabei aber nicht außer Betracht lassen, dass der weit entfernte IR- Hintergrund vielleicht viel schwächer ist als bisher gedacht. Dann hätten auch hochenergetische γ- Photonen kein Problem das All zu durchqueren.

Zurzeit werden verschiedene, hochempfindliche Gamma- Teleskope gebaut. HESS (High Energy Stereoscopic System) entsteht in Namibia unter deutscher, englischer und italienischer Leitung, ein System aus 16 Spiegeln, das 30- mal entferntere Blasare als Markarian 501 detektieren kann. Die ersten 4 Spiegel nahmen bereits 2001 ihren Betrieb auf, zusammen mit MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cerenkov Telescope), einem deutschen 17- Meter- Spiegel auf La Palma. Die Amerikaner haben VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System), ein 7- Spiegel- System in Arizona.

Sollte mit diesen neuen Geräten festgestellt werden, dass auch viel weiter entfernte Blasare als Markarian 501 uns ständig mit 20 [TeV]- Photonen bombardieren, so werden es die Vertreter der klassischen Physik sehr schwer haben eine Erklärung zu finden. In jedem Fall geht dort draußen, weitab von uns, etwas sehr dramatisches vor in den fremdartigsten Galaxien des Universums. Wir wissen noch nicht sehr viel über Blasare, aber sie werden uns sicher noch viele Jahre beschäftigen.

Anmerkung:
Neue Untersuchungen mit dem HESS konnten die bisherige Vermutung, dass die hochenergetischen Gammaphotonen die "Rauhigkeit" der Raumzeit auf der Quantenebene spüren, nicht bestätigen. Die Forschungen werden daher fortgesetzt.

Letzte Änderung: 27. Mai 2011

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Was ist ein Blasar?